ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- Lại Ngọc Ca NGHIÊN CỨU HIỆN TRẠNG QUẢN LÝ, SỬ DỤNG VÀ HIỆU QUẢ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỒ BẰNG CÔNG NGHỆ CẤP KHÍ TẦNG S
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
Lại Ngọc Ca
NGHIÊN CỨU HIỆN TRẠNG QUẢN LÝ, SỬ DỤNG
VÀ HIỆU QUẢ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỒ
BẰNG CÔNG NGHỆ CẤP KHÍ TẦNG SÂU
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
Lại Ngọc Ca
NGHIÊN CỨU HIỆN TRẠNG QUẢN LÝ, SỬ DỤNG
VÀ HIỆU QUẢ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỒ
XÁC NHẬN HỌC VIÊN ĐÃ CHỈNH SỬA THEO GÓP Ý CỦA HỘI ĐỒNG
thạc sĩ khoa học
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Luận văn được hoàn thành theo chương trình đào tạo Cao học hệ chính quy tập trung khóa 21 (2013 - 2015) tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội
Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Thị
Hà và TS Phạm Thị Thúy, hai cô hướng dẫn khoa học, đã nhiệt tình truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu và dành những tình cảm tốt đẹp cho tác giả trong quá trình thực hiện luận văn
Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa Môi trường, Bộ môn Công nghệ Môi trường, các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã quan tâm giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn
Xin chân thành cảm ơn Tập đoàn Marsima Aqua System, Công ty Nikken, Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo các điều kiện, cung cấp dữ liệu và cùng phối hợp triển khai các công tác
Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Ban lãnh đạo, tập thể cán bộ, công nhân viên Viện Sinh thái và Bảo vệ công trình - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã tạo điều kiện, giúp đỡ về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận văn
Do điều kiện nghiên cứu còn nhiều hạn chế nên luận văn không thể tránh khỏi những khiếm khuyết nhất định, kính mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo, các nhà khoa học, các đồng nghiệp quan tâm đến vấn đề nghiên cứu
Học viên
Trang 4MỤC LỤC
ĐẶT VẤN ĐỀ 1
Chương 1 TỔNG QUAN 3
1.1 Tổng quan về hồ chứa và mục đích sử dụng 3
1.1.1 Trên thế giới 3
1.1.2 Tại Việt Nam 6
1.2 Hiện tượng suy giảm ôxy của các đập tại Việt Nam 7
1.3 Chất lượng nước hồ chứa,các quá trình xảy ra trong hồ 11
1.3.1 Các vấn đề liên quan đến chất lượng nước hồ chứa 11
1.3.2 Ô nhiễm do thiếu khí tại các hồ chứa 14
1.4 Một số biện pháp cải thiện chất lượng nước hồ trên thế giới và Việt Nam 16
1.4.1 Một số biện pháp cải thiện chất lượng nước hồ trên thế giới 16
1.4.2 Một số biện pháp cải thiện chất lượng nước hồ tại Việt Nam 18
Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21
2.1 Đối tượng nghiên cứu 21
2.2 Địa điểm nghiên cứu 21
2.2.1 Vị trí địa lý 21
2.2.2 Đặc điểm địa hình 22
2.2.3 Đặc điểm khí tượng - thuỷ văn 23
2.2.4 Dòng chảy 25
2.2.5 Hiện trạng quản lý, sử dụng nước tại hồ Trọng, huyện Tân Lạc,
tỉnh Hòa Bình 25
2.3 Phương pháp nghiên cứu 26
2.3.1 Tổng quan tài liệu 27
2.3.2 Điều tra khảo sát thực địa, lấy mẫu 27
Trang 52.3.3 Thực nghiệm cải thiện chất lượng nước hồ bằng phương pháp cấp khí
tầng sâu 29
2.3.4 Phương pháp xử lý, bảo quản mẫu, phân tích 34
2.3.5 Phương pháp xử lý số liệu 34
Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 35
3.1 Hiện trạng chất lượng nước tại hồ Trọng, huyện Tân Lạc, tỉnh Hòa Bình 35
3.1.1 Biến thiên giá trị nhiệt độ, DO và ORP 35
3.1.2 Biến thiên giá trị Fe và Mn 41
3.2 Hiệu quả cải thiện chất lượng nước hồ bằng công nghệ cấp khí tầng sâu
tại hồ Trọng, huyện Tân Lạc, tỉnh Hòa Bình 46
3.2.1 Biến thiên nhiệt độ, DO và ORP 46
3.2.2 Biến thiên Fe và Mn 49
3.3 Nguy cơ ô nhiễm nước hồ trong tương lai 56
3.4 Đề xuất giải pháp quản lý tổng hợp chất lượng nước hồ 57
3.4.1 Giải pháp quản lý 57
3.4.2 Giải pháp sử dụng nguồn nước 57
3.4.3 Giải pháp về kỹ thuật 58
KẾT LUẬN 59
KIẾN NGHỊ 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO 61
PHỤ LỤC 64
Trang 6DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Tổng số các hồ chứa phân theo dung tích chứa 6
Bảng 1.2 Chỉ tiêu phân định trạng thái phân tầng dựa trêntỷ lệ thay nước α
của hồ đập 9
Bảng 1.3 Thống kê thông tin về các đập tại Việt Nam và dự đoán số lượng đập
có vấn đề 9
Bảng 2.1 Một số đặc trưng về khí tượng vùng dự án 24
Bảng 2.2 Vận tốc gió theo các hướng 24
Bảng 2.3 Thông tin cụ thể các vị trí lấy mẫu 29
Trang 7DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Hồ Tchad vùng phía Tây châu Phi 3
Hình 1.2 Hồ Volta ở Ghana 4
Hình 1.3 Hồ Kariba ở Zimbabwe 5
Hình 1.4 Hồ Rudolf ở phía Đông châu Phi 5
Hình 1.5 Số lượng đập lớn phân theo năm xây dựng 8
Hình 1.6 Ô nhiễm môi trường nước tại hồ Trị An, tỉnh Đồng Nai 12
Hình 1.7 Nước thải rửa quặng được xả thẳng ra suối dẫn vào Hồ Ba Bể 13
Hình 1.8 Bè thực vật nổi trên hồ Fish Fry (Mỹ) 18
Hình 2.1 Hồ Trọng nhìn từ đập chính 21
Hình 2.2 Sơ đồ quy trình nghiên cứu tổng thể của luận văn 26
Hình 2.3 Sơ đồ các vị trí lấy mẫu 28
Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động của thiết bị cấp khí tầng sâu 31
Hình 2.5 Chi tiết hình ảnh cấu tạo thiết bị 33
Hình 2.6 Các chai mẫu được bảo quản trong thùng chuyên dụng 34
Hình 3.1 Biến thiên giá trị nhiệt độ thời điểm trước khi lắp đặt thiết bị cấp khí tầng sâu 36
Hình 3.2.Sự phân tầng và xáo trộn của khối nước theo mùa (A) với 2 đỉnh cao
phát triển của tảo (B) liên quan đến sự biến đổi của các nhân tố môi trường 37
Hình 3.3 Sự phân tầng nhiệt của khối nước hồ vùng ôn đới trong mùa hè 37
Hình 3.4 Biến thiên giá trị DO thời điểm trước khi lắp đặt thiết bị cấp khí
tầng sâu 39
Hình 3.5 Biến thiên giá trị ORP thời điểm trước khi lắp đặt thiết bị cấp khí
tầng sâu 40
Trang 8Hình 3.8 Biến thiên giá trị Mn thời điểm trước khi lắp đặt thiết bị cấp khí
tầng sâu 44
Hình 3.9 Biến thiên giá trị Mn tại các vị trí lấy mẫu thời điểm trước khi lắp đặt thiết bị cấp khí tầng sâu 45
Hình 3.10 Biến thiên giá trị nhiệt độ thời điểm sau khi lắp đặt thiết bị cấp khí
tầng sâu 47
Hình 3.11 Biến thiên giá trị DO thời điểm sau khi lắp đặt thiết bị cấp khí
tầng sâu 48
Hình 3.12 Biến thiên giá trị ORP thời điểm sau khi lắp đặt thiết bị cấp khí
tầng sâu 49
Hình 3.13 Biến thiên giá trị Fe thời điểm sau khi lắp đặt thiết bị cấp khí tầng sâu 50
Hình 3.14 Biến thiên giá trị Fe tại các vị trí lấy mẫu thời điểm sau khi lắp đặt
thiết bị cấp khí tầng sâu 52
Hình 3.15 Biến thiên giá trị Mn thời điểm sau khi lắp đặt thiết bị cấp khí tầng sâu 53
Hình 3.16 Biến thiên giá trị Mn tại các vị trí lấy mẫu thời điểm sau khi lắp đặt
thiết bị cấp khí tầng sâu 55
Hình 3.17 Hoạt động nuôi cá lồng bè tại hồ Trọng 56
Trang 9DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
(Global Positioning System)
(The Japan International Cooperation Agency)
Trang 10ĐẶT VẤN ĐỀ
Hồ chứa thủy lợi có nhiệm vụ cấp nước phục vụ sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt, cắt lũ hạ du, cải tạo môi trường và các nhiệm vụ kết hợp khác Theo số liệu thống kê của Tổng cục Thủy lợi, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông
[8]
Phần lớn các hồ chứa thủy lợi thường có độ sâu trên 10 m ngay cả vào mùa khô Ở các tầng nước có độ sâu lớn hơn 10 m, nước chịu ảnh hưởng của phân tầng nhiệt và làm giảm hàm lượng oxy hòa tan, dẫn đến hiện tượng thiếu khí trong các tầng sâu của hồ chứa Điều kiện thiếu khí trong các tầng nước sâu của hồ chứa thủy lợi tác động nghiêm trọng đến chất lượng nước của hồ, bao gồm sự phú dưỡng và đặc biệt là giải phóng các kim loại nặng tồn tại trong trầm tích Sự suy giảm nồng
độ oxy tới mức thiếu hụt cho các chu trình hiếu khí kéo theo sự thay đổi hàm lượng của các ion kim loại trong các tầng nước, trong đó đáng kể nhất là sự gia tăng đột ngột hàm lượng Fe và Mn Chất lượng môi trường nước hồ bị ảnh hưởng dẫn đến sự thay đổi chất lượng môi trường nước sông phía dưới hạ lưu trực tiếp cấp nước cho các mục đích sử dụng
Vì vậy, việc làm giàu oxy trong tầng sâu của các hồ chứa thủy lợi nhằm cải thiện chất lượng nước của hồ chứa và nước sông dưới hạ nguồn chịu ảnh hưởng từ việc thiếu oxy, giúp bảo đảm cung cấp nguồn nước vệ sinh, hoạt động ngư nghiệp và môi trường sinh hoạt ở các con sông dưới hạ nguồn là một nhu cầu cần thiết đối với các hồ chứa của Việt Nam
Công nghệ cấp khí tầng sâu (Deep layer aeration system) đã và đang được sử dụng để cải thiện chất lượng nước hồ ở nhiều quốc gia Ở Việt Nam, trong khuôn khổ hợp tác giữa JICA và Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, công nghệ này đang được bắt đầu thử nghiệm tại hồ Trọng, huyện Tân Lạc, tỉnh Hòa Bình Tuy nhiên, hiệu quả của công nghệ này vẫn chưa được kiểm chứng, đánh giá tại Việt Nam Mặt khác, đối với vấn đề chất lượng nước hồ chứa cần có giải pháp quản lý tổng hợp đáp ứng các yêu cầu về chất lượng nước cấp
Trang 11Từ các cơ sở thực tiễn nêu trên, luận văn thực hiện đề tài “Nghiên cứu hiện
trạng quản lý, sử dụng và hiệu quả cải thiện chất lượng nước hồ bằng công nghệ cấp khí tầng sâu”
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn:
Nghiên cứu được thực hiện với mục tiêu đánh giá được hiện trạng quản lý, sử dụng và hiệu quả cải thiện chất lượng nước hồ Trọng, huyện Tân Lạc, tỉnh Hòa Bình (các thông số liên quan đến hiện tượng thiếu khí tầng sâu) bằng cách so sánh, đánh giá các thông số đo đạc, phân tích trước và sau khi lắp đặt hệ thống cấp khí tầng sâu đồng thời phân tích các nguy cơ ô nhiễm nước hồ trong tương lai và đề xuất giải pháp quản lý tổng hợp chất lượng nước hồ
Các nội dung chính được nghiên cứu trong luận văn bao gồm:
- Tổng quan về hồ chứa, mục đích sử dụng, hiện tượng suy giảm oxy tại các đập của Việt Nam, các quá trình xảy ra trong hồ;
- Giới thiệu phương pháp cải thiện chất lượng nước hồ bằng công nghệ cấp khí tầng sâu của Nhật Bản;
- Khảo sát hiện trạng quản lý, sử dụng nước, chất lượng nước tại hồ Trọng, huyện Tân Lạc, tỉnh Hòa Bình;
- Đánh giá hiệu quả xử lý ô nhiễm nước bằng công nghệ cấp khí tầng sâu tại hồ Trọng, huyện Tân Lạc, tỉnh Hòa Bình;
- Đề xuất giải pháp quản lý tổng hợp chất lượng nước hồ
Trang 12Chương 1 TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về hồ chứa và mục đích sử dụng
1.1.1 Trên thế giới
Hồ chứa nước trên thế giới được xây dựng và phát triển rất đa dạng Đến nay
giới, đến năm 2005 trên thế giới có hơn 33 vạn đập có chiều cao trên 15m [16] Các
hồ chứa trên thế giới có vai trò rất quan trọng, sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như cấp nước sinh hoạt, tưới cho nông nghiệp, thủy điện và ngư nghiệp Điển hình có thể kể đến vai trò của một số hồ sau:
Hồ Tchad là hồ nước ngọt nằm ở Sahel vùng phía Tây châu Phi Diện tích
bề mặt hồ thay đổi theo mùa, đạt đỉnh vào cuối tháng hoặc đầu tháng 11, sau đó thu hẹp hơn vào cuối tháng hoặc đầu tháng 4 Hồ Tchad rất nông, điểm sâu nhất chỉ hơn 10m nên mực nước bị dao động mạnh theo từng mùa Theo Gritzner (2016), hồ được khai thác trong nông nghiệp, thương mại, chăn nuôi, đánh bắt cá
và là nguồn cung cấp nước sinh hoạt cho 4 nước Tchad, Cameroon, Nigeria và Niger [12] Dầu mỏ cũng được tìm thấy trong hồ do đó hồ quan trọng về mặt kinh
tế Người dân địa phương thường canh tác ở vùng ven hồ khi mực nước rút xuống
để trồng cây lương thực…[12]
Hình 1.1 Hồ Tchad vùng phía Tây châu Phi
Nguồn: Gritzner (2016) [12]
Trang 13Hồ Volta, hồ chứa nước nhân tạo ở Ghana Hồ được hình thành bởi đập Akosombo ngăn trên sông Volta phía nam Ajena Theo Tanaka và cộng sự (2002),
hồ Volta là một trong những hồ nhân tạo lớn nhất trên thế giới với khả năng lưu trữ
cấp nước tưới cho nông nghiệp [22] Bên cạnh đó, hồ Volta còn phục vụ cấp nước phát điện, cung cấp điện cho nhiều quốc gia, tạo ra giá trị kinh tế lớn cho Ghana Hồ Volta có đóng góp quan trọng trong việc vận chuyển, cung cấp tuyến đường thủy cho cả hai bến phà, tàu thuyền trao đổi hàng hóa [22] Hồ điều hòa khí hậu cho khu vực các nước xung quanh Theo FAO (2003), với sự quản lý tốt, hồ Volta là nơi cư trú của một số lượng lớn các loài cá, các loài thủy sản lớn, tạo nguồn lợi và thu nhập cho các ngư dân địa phương với ngành công nghiệp đánh bắt cá [11] Bên cạnh đó, theo Ntow (2003), hồ còn thu hút khách du lịch và tham quan Tiềm năng khai thác
gỗ từ rừng ngập nước dưới hồ Volta cũng rất lớn với các loài gỗ cứng nhiệt đới giá trị cao [20]
Trang 14dung lượng lưu trữ là 185km3
Theo Magadza (2006), hồ vừa có chức năng cung cấp nước cho thủy điện, vừa hỗ trợ phát triển ngư nghiệp với nguồn thủy sản phong phú, đặc biệt là các loài cá Hồ còn là công viên giải trí cần được bảo tồn ở Zimbabwe [18]
Hình 1.4 Hồ Rudolf ở phía Đông châu Phi
Nguồn: Theo Encyclopaedia Britannica, 2016 [29]
Trang 151.1.2 Tại Việt Nam
Việt Nam là một trong số ít quốc gia ở Đông Nam Á có hệ thống thủy lợi tương đối hoàn chỉnh, với hàng ngàn hệ thống công trình thủy lợi lớn, vừa và nhỏ
để cấp nước tưới, tiêu phục vụ sản xuất nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản và cung cấp nước phục vụ sinh hoạt và công nghiệp, phòng chống lũ lụt, úng ngập, hạn hán, góp phần bảo vệ môi trường Theo thống kê của Tổng cục Thủy lợi (2014), cả nước
có khoảng 6.663 hồ chứa thủy lợi để phục vụ cho phát triển sản xuất nông nghiệp và đáp ứng nhu cầu cấp nước phục vụ công nghiệp, nông nghiệp và dân sinh [8] Tổng hợp dung tích các hồ chứa trong cả nước được thể hiện ở Bảng 1.1
Bảng 1.1 Tổng số các hồ chứa phân theo dung tích chứa STT Dung tích hồ chứa (triệu m 3
Nguồn: Tổng cục Thủy lợi, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (2014) [8]
Trang 16Các hồ chứa có vai trò quan trọng trong tưới tiêu nông nghiệp, nuôi trồng khai thác thủy sản, khai thác thủy điện, phát triển du lịch, ngoài ra các hồ chứa còn giữ vị trí quan trọng trong việc điều hòa sinh thái, bảo vệ môi trường sống của con người Trong những năm gần đây khi mà thiên tai diễn biến ngày càng phức tạp, vai trò của những hồ chứa nước càng trở nên quan trọng hơn Tuy nhiên, do việc sử dụng nước ngày một gia tăng nên có sự mất cân bằng nước giữa hai mùa mưa và khô dẫn đến sự thiếu hụt nghiêm trọng tài nguyên nước mùa khô, không chỉ vậy việc khai thác và bảo vệ nguồn nước chưa được trú trọng nên chất lượng nước ngày càng suy giảm, ảnh hưởng đến đời sống người dân
1.2 Hiện tượng suy giảm ôxy của các đập tại Việt Nam
Hiện nay, trừ vùng đồng bằng Nam Bộ, có tổng cộng 651 đập với chiều cao
từ 15m trở lên đang được xây dựng, quy hoạch tại 41 tỉnhtrong 63 tỉnh thành của Việt Nam Cụ thể, số đập hiện hữu đã có là 619 đập, số đập đang xây dựng là 18 đập, có quy hoạch xây dựng trong thời gian tới là 13 đập và 01 đập chưa rõ quy hoạch [14]
Trong số này, tình hình xây dựng các đập có chiều cao 25m trở lên là các đập được đánh giá dễ xảy ra hiện tượng phân tầng được tổng hợp trong hình 1.1 Từ biểu đồ có thể nhận thấy giai đoạn từ năm 1963 đến năm 1996 chủ yếu xây dựng các đập có chiều cao đập chính H<25m nhưng thời điểm từ năm 1996 đến năm
2012 số lượng đập được xây dựng có chiều cao đập chính H>25m lại vượt trội, đỉnh điểm nhất là giai đoạn từ năm 2008 đến năm 2012 khi số lượng đập có H>25m lớn gấp 2 - 3 lần số lượng đập có H<25m Như vậy việc xây dựng đập có chiều cao đập chính lớn hơn 25m đang tăng lên đáng kể trong những năm gần đây Chi tiết số lượng đập lớn phân theo năm xây dựng được trình bày trên Hình 1.5
