Nghiên cứu ứng dụng mô hình dòng chảy vật chất (MFA) và hệ thống thông tin địa lý (GIS) đánh giá nguồn phát thải và biến đổi hàm lượng nitơ trong môi trường nước hệ thống sông thái bình khu vực tỉnh hải dương

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Phú Đồng NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH DÒNG CHẢY VẬT CHẤT MFA VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS ĐÁNH GIÁ NGUỒN PHÁT THẢI VÀ BIẾ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Lê Phú Đồng

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH DÒNG CHẢY VẬT CHẤT (MFA) VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) ĐÁNH GIÁ NGUỒN PHÁT THẢI VÀ BIẾN ĐỔI HÀM LƯỢNG NITƠ TRONG

MÔI TRƯỜNG NƯỚC HỆ THỐNG SÔNG THÁI BÌNH

KHU VỰC TỈNH HẢI DƯƠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Lê Phú Đồng

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH DÒNG CHẢY VẬT CHẤT (MFA) VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) ĐÁNH GIÁ NGUỒN PHÁT THẢI VÀ BIẾN ĐỔI HÀM LƯỢNG NITƠ TRONG

MÔI TRƯỜNG NƯỚC HỆ THỐNG SÔNG THÁI BÌNH

KHU VỰC TỈNH HẢI DƯƠNG

Chuyên ngành: Hóa Phân tích

Mã số: 60440118

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Lê Văn Chính PGS.TS Tạ Thị Thảo

Hà Nội - 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu ứng dụng mô hình dòng chảy vật chất (MFA) và hệ thống thông tin địa lý (GIS) đánh giá nguồn phát thải và biến đổi hàm lượng Nitơ trong môi trường nước hệ thống sông Thái Bình khu vực tỉnh Hải Dương” là công trình nghiên cứu của bản thân Tất cả những thông tin tham khảo dùng trong luận văn lấy từ các công trình nghiên cứu có liên quan đều được nêu rõ nguồn gốc trong danh mục tài liệu tham khảo Các kết quả nghiên cứu đưa ra trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác

Ngày tháng năm 2014

TÁC GIẢ

Lê Phú Đồng

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Lê Văn Chính, PGS.TS Tạ Thị Thảo đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm hoàn thành bản luận văn này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn ông Tạ Hồng Minh, bà Phan Thị Uyên và tập thể cán bộ Trung tâm Quan trắc và Phân tích môi trường tỉnh Hải Dương đã luôn quan tâm, tạo điều kiện giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến bổ ích để tôi hoàn thành bản luận văn này Qua đây tôi cũng xin chân thành cám ơn TS Đỗ Thu Nga

đã giúp đỡ tôi và đóng góp nhiều ý kiến khoa học để tôi hoàn thành nghiên cứu này

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình đã luôn bên cạnh, động viên và tạo mọi điều kiện để tôi có thể hoàn thành các nội dung nghiên cứu

Ngày tháng 12 năm 2014

Lê Phú Đồng

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED

1.1 Khái quát về điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội khu vực nghiên cứuError! Bookmark not defined 1.1.1 Vị trí địa lý Error! Bookmark not defined

1.1.2 Địa hình, địa mạo Error! Bookmark not defined

1.1.3 Đặc điểm về khí tượng – thủy văn Error! Bookmark not defined

1.1.3.1 Điều kiện khí tượng Error! Bookmark not defined

1.1.3.2 Điều kiện thuỷ văn Error! Bookmark not defined

1.1.4 Hiện trạng sử dụng đất Error! Bookmark not defined

1.1.5 Phát triển kinh tế - xã hội, môi trường Error! Bookmark not defined

1.1.5.1 Về sản xuất công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp Error! Bookmark

not defined

1.1.5.2 Về khu, cụm công nghiệp Error! Bookmark not defined

1.1.5.3 Dân số và phát triển đô thị Error! Bookmark not defined

1.1.2.4 Hiện trạng môi trường khu vực nghiên cứu Error! Bookmark not

defined

1.2 Phương pháp phân tích dòng chảy vật chất (MFA)Error! Bookmark not defined

1.2.1 Lịch sử phát triển Error! Bookmark not defined

1.2.2 Các ứng dụng của mô hình MFA trong môi trường Error! Bookmark

not defined

1.3 Giới thiệu về GIS (Geographic Information System)Error! Bookmark not defined

1.3.1 Giới thiệu chung về GIS Error! Bookmark not defined

1.3.2 Các ứng dụng của GIS trong lĩnh vực môi trường nước Error!

Bookmark not defined

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM ERROR!

BOOKMARK NOT DEFINED

2.1 Thiết bị, vật tư hóa chất Error! Bookmark not defined

2.1.1 Hóa chất, vật tư Error! Bookmark not defined 2.1.2 Thiết bị, dụng cụ Error! Bookmark not defined 2.2 Vị trí các điểm lấy mẫu, quan trắc Error! Bookmark not defined 2.3 Phương pháp nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.3.1 Xây dựng mô hình MFA Error! Bookmark not defined

2.3.1.1 Tìm kiếm biểu đồ dòng chảy N cho nghiên cứu MFA tại Hải Dương

Error! Bookmark not defined

2.3.1.2 Thiết lập mô hình MFA sơ cấp sau khi có các cuộc khảo sát tại hiện

trường Error! Bookmark not defined

2.3.1.3 Đánh giá thông số sau khi tiếp tục khảo sát tại hiện trường đợt 2

Error! Bookmark not defined 2.3.1.4 Giai đoạn kết thúc Error! Bookmark not defined

2.3.2 Xây dựng mô hình tính tải lượng Nitơ dựa vào các tham số của mô hình

phân phối GIS Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED

3.1 Đánh giá hiện trạng ô nhiễm Nitơ trong môi trường nước thuộc các hệ thống

sông khu vực tỉnh Hải Dương Error! Bookmark not defined

3.1.1 Hiện trạng ô nhiễm NH4+-N trong nước sông tại khu vực tỉnh Hải Dương

Error! Bookmark not defined

3.1.1.1 Phân tích hàm lượng NH4+-N trên hệ thống sông Thái Bình Error! Bookmark not defined

3.1.1.2 Phân tích hàm lượng NH4+-N trên hệ thống sông Bắc Hưng Hải

Error! Bookmark not defined

3.1.2 Hiện trạng ô nhiễm NO2--N trong nước sông tại khu vực tỉnh Hải Dương

Error! Bookmark not defined

3.1.2.1 Phân tích hàm lượng NO2--N trên hệ thống sông Thái Bình Error! Bookmark not defined

3.1.2.2 Phân tích hàm lượng NO2

N trên hệ thống sông Bắc Hưng Hải

Error! Bookmark not defined

3.1.3 Hiện trạng ô nhiễm NO3--N trong nước sông tại khu vực tỉnh Hải Dương

Error! Bookmark not defined

3.1.3.1 Phân tích hàm lượng NO3--N trên hệ thống sông Thái Bình Error! Bookmark not defined

3.1.3.1 Kết quả NO3--N thuộc hệ thống sông Bắc Hưng Hải Error! Bookmark not defined

3.2 Nghiên cứu ứng dụng mô hình MFA để đánh giá nguồn thải N 12 3.2.1 Đề xuất các quá trình mô hình trong MFA tính toán chu trình N đối với toàn bộ tỉnh Hải Dương 2

3.2.2 Các thông số đầu vào cho mô hình MFA Error! Bookmark not defined 3.2.3 Thảo luận về mô hình MFA Error! Bookmark not defined 3.2.3.1 Quá trình “Hộ gia đình (1)” Error! Bookmark not defined 3.2.3.2 Quá trình "công trình vệ sinh (2)" Error! Bookmark not defined 3.2.3.3 Quá trình “ Hệ thống thoát nước” (3) Error! Bookmark not defined

3.2.3.4 Quá trình “Thu gom chất thải rắn” (4) Error! Bookmark not defined

3.2.3.5 Quá trình “ chợ” (6) Error! Bookmark not defined 3.2.3.6 Quá trình “bãi rác” (7) Error! Bookmark not defined 3.2.3.7 Quá trình “chăn nuôi” (12) Error! Bookmark not defined 3.2.3.8 Quá trình “ Thủy sản (13)” Error! Bookmark not defined 3.2.3.9 Quá trình “Trồng lúa và các loại cây trồng khác” (14) Error! Bookmark not defined

3.2.4 Đánh giá các thông số trong mô hình MFA Error! Bookmark not defined

3.2.5 Phân tích độ nhạy của các thông số trong mô hình MFA Error! Bookmark not defined

3.2.5.1 Dòng N chảy vào nước mặt Error! Bookmark not defined

3.2.5.2 Dòng N chảy vào hệ thống thoát nước Error! Bookmark not

defined

3.2.6 Mô hình MFA với N cho Hải Dương Error! Bookmark not defined

3.3 Xây dựng mô hình tính tải lượng N dựa trên các tham số của mô hình phân

phối GIS Error! Bookmark not defined

3.3.1 Các thông số của hệ thống thông tin địa lý GIS Error! Bookmark not

defined

3.3.2 Khu vực nghiên cứu Error! Bookmark not defined

3.3.2 Số liệu về nguồn thải và số liệu quan trắc các năm Error! Bookmark not

defined

3.3.3 Xây dựng mô hình tính toán tải lượng N Error! Bookmark not defined

3.3.4 Đánh giá mô hình tính toán Error! Bookmark not defined

3.4 Kịch bản ô nhiễm N trong môi trường của tỉnh Hải Dương đến năm 2020Error! Bookmark not defined 3.4.1 Áp dụng mô hình MFA Error! Bookmark not defined

3.4.2 Áp dụng mô hình tính toán tải lượng N Error! Bookmark not defined

KẾT LUẬN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED

TÀI LIỆU THAM KHẢO 3

PHỤC LỤC ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT

CCN Cụm công nghiệp

GIS Hệ thống thông tin địa lý

KCN Khu công nghiệp

LVS Lưu vực sông

MFA Dòng chảy vật chất

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Lượng mưa các tháng trong năm từ năm 2009 đến năm 2013 (mm)Error! Bookmark not defined Bảng 1.2 Hiện trạng sử dụng đất tỉnh Hải Dương năm 2013Error! Bookmark not defined

Bảng 2.1: Vị trí và tọa độ các điểm lấy mẫu phân tích các hợp chất NitơError! Bookmark not defined Bảng 3.1: Hiện trạng sử dụng đất của 03 huyện, thành phốError! Bookmark not defined

Bảng 3.2: Thống kê tải lượng N trong nước thải công nghiệpError! Bookmark not defined

Bảng 3.3: Lượng phát thải N từ hoạt động cấy lúa Error! Bookmark not defined

Bảng 3.4: Tổng tải lượng N phát thải từ các nguồn công nghiệp,Error! Bookmark not defined

nông nghiệp vào tháng 3 và tháng 6 hàng năm Error! Bookmark not defined

Bảng 3.5: Kết quả quan trắc chất lượng nước sông qua các nămError! Bookmark not defined

Bảng 3.6: Tải lượng N trong tháng 3 Error! Bookmark not defined

Bảng 3.7: Tải lượng N trong tháng 6 Error! Bookmark not defined

Bảng 3.8: Kết quả quan trắc tải lượng N vào 3/2014 Error! Bookmark not defined

Bảng 3.9: Bảng số liệu thống kê về phát triển kinh tế tỉnh Hải Dương năm 2020Error! Bookmark not defined Bảng 3.10: So sánh tải lượng N thải vào nước mặt năm 2012 và năm 2020Error! Bookmark not defined Bảng 3.11: So sánh tải lượng N thải vào không khí năm 2012 và năm 2020Error! Bookmark not defined Bảng 3.12: So sánh tải lượng N thải vào nước ngầm năm 2012 và năm 2020Error! Bookmark not defined Bảng 3.13: Diện tích sử đất của 3 huyện và thành phố đến năm 2020Error! Bookmark not defined

Bảng 3.14: Số liệu đầu vào để xác định tải lượng N đến năm 2020Error! Bookmark not defined

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Diễn biến phát triển dân số từ năm 1999 - 2010Error! Bookmark not defined

Hình 1.2: Dự toán dòng chảy Nitơ trong hệ thống "phân loại và quản lý chất thải rắn

hữu cơ cũng như trong sản xuất lương thực tại Việt Trì, Việt Nam" Error! Bookmark not defined

Hình 2.1: Bản đồ vị trí lấy mẫu phân tích các hợp chất của NitơError! Bookmark not defined

Hình 2.2: Hệ thống MFA sơ bộ của khu vực tỉnh Hải DươngError! Bookmark not defined

Hình 2.3: Kế hoạch nghiên cứu mô hình MFA tại Hải DươngError! Bookmark not defined

Hình 2.4: Kế hoạch nghiên cứu mô hình tính toán tải lượng NitơError! Bookmark not defined

Hình 3.1: Nồng độ NH4+-N thuộc hệ thống sông Thái BìnhError! Bookmark not defined

Hình 3.2: Nồng độ NH4+-N thuộc hệ thống sông Bắc Hưng HảiError! Bookmark not defined

Hình 3.3: Nồng độ NO2--N thuộc hệ thống sông Thái BìnhError! Bookmark not defined

Hình 3.4: Nồng độ NO2--N thuộc hệ thống sông Bắc Hưng HảiError! Bookmark not defined

Hình 3.5: Nồng độ NO3--N thuộc hệ thống sông Thái BìnhError! Bookmark not defined

Hình 3.6: Nồng độ NO3--N thuộc hệ thống sông Bắc Hưng HảiError! Bookmark not defined

Hình 3.7: MFA với N trên địa bàn tỉnh Hải Dương sau lần khảo sát thứ nhấtError! Bookmark not defined Hình 3.8: MFA với N trên địa bàn tỉnh Hải Dương sau lần khảo sát thứ haiError! Bookmark not defined Hình 3.9: Dòng chảy N trong quá trình “Hộ gia đình” (tấn N/năm)Error! Bookmark not defined

Hình 3.10: Dòng N từ quá trình “công trình vệ sinh”Error! Bookmark not defined

Hình 3.11: Dòng N từ quá trình “Hệ thống thoát nước”Error! Bookmark not defined

Hình 3.12: Dòng N trong quá trình “Thu gom chất thải rắn”Error! Bookmark not defined

Hình 3.13: Dòng N trong quá trình “Chợ” Error! Bookmark not defined

Hình 3.14: Dòng N trong quá trình “Bãi rác” Error! Bookmark not defined

Hình 4.15: Dòng N trong quá trình “ chăn nuôi” Error! Bookmark not defined

Hình 4.16: Dòng N trong quá trình “Thủy sản” Error! Bookmark not defined

Hình 4.17: Dòng N trong quy trình “Trồng trọt” Error! Bookmark not defined

Hình 3.18: Ảnh hưởng của việc tăng 10% của các thông số đối vớiError! Bookmark not defined

dòng N chảy vào nước mặt Error! Bookmark not defined

Hình 3.19: Ảnh hưởng của việc tăng 10% của các thông số đối với dòng N chảy

vào hệ thống thoát nước Error! Bookmark not defined

Hình 3.20: Mô hình MFA đối với N cho khu vực tỉnh Hải DươngError! Bookmark not defined

Hình 3.21: Tải lượng N từ các quá trình chuyển hóa thải ra môi trườngError! Bookmark not defined Hình 3.22: Tải lượng N từ các nguồn thải vào môi trường nước mặtError! Bookmark not defined

Hình 3.23: Bản đồ khu vực nghiên cứu Error! Bookmark not defined

Hình 3.24: Bản đồ hiện trạng sử dụng đất của vùng nghiên cứuError! Bookmark not defined

Hình 3.25: Tỷ lệ tải lượng N thải vào nguồn nước mặtError! Bookmark not defined

Hình 3.26: Bản đồ vị trí quan trắc, lấy mẫu của khu vực nghiên cứuError! Bookmark not defined

Hình 3.27: Biểu diễn mối tương quan giữa số liệu quan trắcError! Bookmark not defined lượng N trong nước sông và tổng lượng N phát thải Error! Bookmark not defined

Hình 3.28: Mô hình MFA cho Hải Dương đến năm 2020Error! Bookmark not defined

+ Việc điều tiết nước của hệ thống sông Bắc Hưng Hải bằng các công trình

thủy lợi, cho nên mức độ tự làm sạch của dòng sông là thấp hơn so với khả năng tự

làm sạch của hệ thống sông Thái Bình

Do vậy, luận văn sẽ xây dựng mô hình tính toán tải lượng N và tìm ra nguôn

gây ô nhiễm Nitơ chính để đưa ra các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm các hợp chất

của N (xem phần 3.2 và 3.3)

3.2 Nghiên cứu ứng dụng mô hình MFA để đánh giá nguồn thải N

3.2.1 Đề xuất các quá trình mô hình trong MFA tính toán chu trình N đối với toàn bộ tỉnh Hải Dương

Dựa trên hệ thống MFA sơ bộ của vùng nghiên cứu (Hình 2.2) và sau khi khảo sát thực địa lần đầu, MFA đã được xây dựng như (Hình 3.7)

Sau khi khảo sát thực địa lần thứ hai, mô hình MFA thứ hai được thành lập (Hình 3.8) Đã có một số thay đổi trong mô hình MFA thứ hai như sau:

+ Bỏ qua tải lượng N trong “nước cấp”, bởi vì hàm lượng N có trong nước sinh hoạt là rất nhỏ không đáng kể cho nên để đơn giản hóa trong quá trình tính toán MFA chúng ta có thể bỏ qua yếu tố này

+ Bỏ qua quá trình “Công nghiệp”, bởi vì qua kết quả khảo sát, thu thập số liệu của quy trình sản xuất cho thấy: Trong ngành công nghiệp (tại khu vực 4 huyện như: Tp Hải Dương, Cẩm Giàng, Gia Lộc và Bình Giang) tải lượng N khoảng 30 tấn N/năm, trong khi đó trong lĩnh vực cấy lúa của 4 huyện trên có tải lượng trung bình hàng năm khoảng 3.122 tấn N/năm

+ Bổ sung thêm một số chương trình biến đổi N trong các quá trình “Hộ gia đình” “Trồng trọt” và “Chăn nuôi”

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt

1 Mai Văn Bình (2010), Báo cáo tổng hợp: Lập quy hoạch bảo vệ môi trường

lưu vực sông Cầu đến 2015 và định hướng đến 2020 Trung tâm Tư vấn và

Công nghệ Môi trường, Bộ Tài nguyên Môi trường

2 Cục thống kê tỉnh Hải Dương (2014), Niên giám thống kê tỉnh Hải Dương

năm 2013

3 Cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam (2007), Báo cáo kết quả Điều tra, đánh

giá tình hình ô nhiễm môi trường lưu vực sông Cầu do các hoạt động khai thác khoáng sản

4 Cục Quản lý Tài nguyên nước (2007), Báo cáo Kết quả điều tra tình hình

khai thác, sử dụng tài nguyên nước và xả nước thải vào nguồn nước Lưu vực sông Cầu

5 Chính phủ (2013), Quy hoạch sử dụng đất đến năm 2020 và kế hoạch sử dụng

đất 5 năm kỳ đầu (2011-2015) tỉnh Hải Dương, Nghị quyết số 42/NQ-CP

6 Hội đồng nhân tỉnh Hải Dương (2008), Quy hoạch phát triển sản xuất nông

nghiệp tỉnh Hải Dương đến năm 2015 và định hướng đến năm 2020, Nghị

quyết 91/2008/NQ-HĐND

7 Bùi Tá Long (2013), “Ứng dụng MIKE11 mô phỏng chất lượng nước sông

Ba, Gia Lai theo các kịch bản kinh tế xã hội”, Tạp chí Khí tượng thủy văn

tháng 4 năm 2013

8 Phạm Tiến Nhất (2009), Đánh giá ngưỡng chịu tải nước sông Cầu, làm cơ

sở xây dựng các quy hoạch kinh tế xã hội và bảo vệ môi trường, Trung tâm

Tư vấn và Công nghệ Môi trường, Bộ Tài nguyên Môi trường

9 Đàm Văn Vệ (2009), Báo cáo tổng hợp: Điều tra, thống kê các nguồn thải,

hiện trạng môi trường và những tác động đến môi trường trên lưu vực sông Cầu Trung tâm Tư vấn và Công nghệ Môi trường, Bộ Tài nguyên Môi trường

10 Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Hải Dương (2010), Báo cáo hiện trạng

môi trường tỉnh Hải Dương

11 Ủy ban nhân tỉnh Hải Dương (2013), Phê duyệt Quy hoạch vùng tỉnh Hải

Dương đến năm 2020 tầm nhìn 2030, Quyết định số 3155/QĐ-UBND