Sử dụng phần mềm MIKE 11 đánh giá dự báo ảnh hưởng của việc xả

Với dân số lưu vực nghiên cứu ước tính khoảng 98.915 người theo số liệu của các Niên giám thống kê và với nhu cầu sử dụng nước sinh hoạt trung bình khoảng 80 lít/người/ngày, có thể ước t

LỜI CAM ĐOAN

Bản luận văn này do tôi tự nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của

TS Trịnh Thành

Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong mục Tài liệu tham khảo, ngoài ra tôi không sử dụng bất kì tài liệu nào mà không được liệt kê

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung mà tôi trình bày trong luận văn này

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Học viên

Kim Đức Toàn

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thiện Luận văn tốt nghiệp chuyên ngành Thạc sỹ quản lý và kỹ thuật

môi trường với đề tài “Sử dụng phần mềm MIKE11 đánh giá dự báo ảnh hưởng của việc xả nước thải sinh hoạt và công nghiệp đến chất lượng nước sông Phan đoạn

chảy qua tỉnh Vĩnh Phúc đến năm 2030” tôi đã nhận được rất nhiều sự động viên,

giúp đỡ của nhiều cá nhân và tập thể

Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến T.S Trịnh Thành đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt thời gian qua để luận văn được hoàn thành đúng thời gian quy định

Xin cũng bày tỏ lòng chân thành với sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Quản lý môi trường - Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường - Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Tôi cũng xin gửi lời cám ơn chân thành tới các thầy cô, các anh chị của Trường Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập cũng như chạy mô hình dự báo chất lượng nước

Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, những người đã luôn bên tôi, động viên và khuyến khích tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu của mình

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Học viên

Kim Đức Toàn

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BTNMT Bộ Tài nguyên và môi trường

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iii

iv

vii

vii

xi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨ ỰA CHỌ ẤT LƯỢNG NƯỚC 5

c nghiên c u 5

- ưu v c sông Phan 5

nhiên 5

1.1.1 - ưu v c sông Phan 7

1.1.2 Tổng quan về c sông Phan 10

ư ng n 10

1.1.2.2 Các tác động ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng, dòng chảy và chất lượng nước sông Phan 11

1.1.2.3 Các nguồn thải nước thải vào lưu vực sông Phan (trong phạm vi nghiên cứu của Báo cáo) 14

1.1.3 L u 15

ng n 16

16

1.2.1.1.Ư 17

1.2.1.2 Nh 18

18

1.2.2.1.Ư 19

1.2.2.2 Nh 19

20

1.2.3.1.Ư 20

1.2.3.2.Nh 20

20

1.2.4.1 Ư 21

1.2.4.2 Nh 21

1.2.5 Các ứng dụng và nghiên cứu ở trong nước 22

23

1.2.6.1.Ư 23

1.2.6.2 Nh 24

1.3 Lựa chọ ất lượng nước 24

1.3.1 L 24

1.3.2 ất lượng nước 25

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHẦN MỀ B C XÂY D ẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG PHAN 27

2.1 Cơ sở lý thuyết của phần mềm Mike 11 [22],[23] 27

2.1.1 Mô đun thủy lực HD 29

2.1.2 Các mô đun chất lượng nước 32

2.1.3 Phạm vi ứng dụng của mô hình 36

c xây d ất lượng nước sông Phan 37

ưu v c sông Phan 38

2.2.2 X ố liệu đầu vào phục vụ cho mô hình thuỷ lực và chất lượng nước 38

2.2.2.1 X ố liệu đầu vào phục vụ cho mô hình thuỷ lực (HD) 38

2.2.2.2.Số liệu chất lượng nước 42

ất lượng nước sông Phan 45

45

2.2.3.2 Thiết lập các mặt cắt ngang 46

2.2.3.3.Thiết lập bộ thông số độ nhám 46

2.2.3.4.Thiết lập các điều kiện biên thủy lực 46

2.2.3.5.Thiết lập các thông số trong modun tải khuyếch tán (AD) 47

2.2.3.6.Thiết lập các thông số trong modun chất lượng nước (Ecolab) 47

49

49

2.3 ệu chỉnh thông số mô hình 49

ố mô hình 50

CHƯƠNG 3 51

ất lượng nước sông Phan 51

3.1.1.Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực 51

3.1.1.1 Số liệu hiệu chỉnh và kiểm định 51

3.1.1.2 Vị trí hiệu chỉnh và kiểm định 51

3.1.1.3 Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định 51

3.1.2.Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình chất lượng nước sông Phan 54

54

3.1.2.2.Hiệu chỉnh mô hình 54

ịnh mô hình 57

3.2 Đánh giá hiện trạng chất lượng nước sông Phan 60

3.2.1.Giới hạn phạm vi và mục tiêu mô phỏng mô hình chất lượng nước 60

3.2.2.Phương pháp xác định các biên nguồn thải 61

3.2.3.Kịch bản mô phỏng chất lượng nước mặt hiện trạng lưu vực sông Phan (KB1) 67

3.2.4.Tính toán mô phỏng chất lượng nước mặt hiện trạng lưu vực sông Phan 68

3.3.Dự báo chất lượng nước sông Phan đến năm 2020 theo kịch bản 2 (KB2) 72

3.3.1.Kịch bản mô phỏng chất lượng nước mặt lưu vực sông Phan đến năm 2020 72 3.3.2.Phương pháp xác định các biên nguồn thải 72

3.3.3.Tính toán mô phỏng chất lượng sông Phan đến năm 2020 - KB 2 76

3.4.Dự báo chất lượng nước sông Phan đến năm 2020 theo kịch bản 3-1 79

3.4.1.Kịch bản 3-1 mô phỏng chất lượng nước sông Phan đến năm 2020 79

3.4.2.Xác định các biên nguồn thải 80

3.4.3.Tính toán mô phỏng chất lượng nước sông Phan năm 2020 theo KB 3-1 80

3.5.Dự báo chất lượng nước sông Phan đến năm 2020 theo kịch bản 3-2 82

3.5.1.Kịch bản 3-2 mô phỏng chất lượng nước sông Phan đến năm 2020 82

3.5.2.Xác định các biên nguồn thải 83

3.5.3.Tính toán mô phỏng chất lượng nước sông Phan năm 2020 theo KB 3-2 84

3.6.Dự báo chất lượng nước sông Phan đến năm 2030 theo kịch bản 4 86

3.6.1.Kịch bản 4 mô phỏng chất lượng nước sông Phan đến năm 2030 86

3.6.2.Xác định các biên nguồn thải 86

3.6.3.Tính toán mô phỏng chất lượng nước sông Phan năm 2030 theo KB 4 89

c sông Phan 91

92

93

95

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99

99

2 Các kiến nghị và khả năng ứng dụng 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

103

Bảng 1.1 Diện tích và dân số, mật độ dân số trong khu vực nghiên cứu [3] 7

Bảng 1.2.Hệ thống trạm bơm tưới chính trong lưu vực sông Phan [20] 12

Bảng 1.3.Hệ thống kênh và cầu máng thuộc lưu vực sông Phan [20] 12

Bảng 3.1.Thống kê đánh giá sai số lưu lượng trong hiệu chỉnh mô hình ngày 15/04-15/05/2011 tại xóm Rừng, Thanh Trù, TP Vĩnh Yên, Vĩnh Phúc trên sông Phan 52

Bảng 3.2.Thống kê đánh giá sai số trận lũ kiểm định mô hình ngày 31/07-01/09/2013 tại xóm Rừng, Thanh Trù, TP Vĩnh Yên, Vĩnh Phúc trên sông Phan 53

Bảng 3.3.Biên các nguồn nước thải sinh hoạt đổ vào sông Phan 61

Bảng 3.4.Biên các nguồn nước thải công nghiệp 63

Bả p l ng n 65

Bảng 3.6.Biên các nguồn nước thải sinh hoạt đổ vào sông Phan năm 2020 74

Bảng 3.7.Biên các nguồn nước thải công nghiệp đổ vào sông Phan năm 2020 75

Bảng 3.8.Biên các nguồn nước thải công nghiệp đổ vào sông Phan năm 2020 - KB 3-1 80

Bảng 3.9.Biên các nguồn nước thải công nghiệp đổ vào sông Phan năm 2020 - KB 3-2 83

Bảng 3.10 Biên các nguồn nước thải sinh hoạt đổ vào sông Phan năm 2030 87

Bảng 3.11.Biên các nguồn nước thải công nghiệp đổ vào sông Phan năm 2030 - KB 4 88

Hình 1.1.Bản đồ lưu vực sông Phan, tỉnh Vĩnh Phúc [15] 5

Hình 1.2.Sông Phan đoạn chảy qua cầu Vật Cách xã Đồng Cương, huyện Yên Lạc - nguồn cung cấp nước tưới cho nông nghiệp ở Vĩnh Phúc 13

Hình 1.3.Phạm vi nghiên cứu, đánh giá dự báo chất lượng nước sông Phan, Vĩnh Phúc (đoạn từ Xã Vũ Di, huyện Vĩnh Tường đến xã Quất Lưu, huyện Bình Xuyên)

15

Hình 2.1.Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott 30

Hình 2.2.Nhánh sông với các điểm lưới xen kẽ 30

Hình 2.3.Cấu trúc các điểm lưới xung quanh điểm nhập lưu 31

Hình 2.4.Cấu trúc các điểm lưới trong mạng vòng 31

Hình 2.5.Sơ đồ chuyển hóa giữa các hợp phần trong các quá trình sinh hóa [23] 35

Hình 2.6 Sơ đồ Áp dụng mô hình Mike 11 tính toán diễn biến chất lượng nước 37

vi xây d ưu v c sông Phan 38

45

sông Phan trong KE 11 46

ược đưa vào mô hình MIKE 11 46

Hình 2.11.Điều kiện biên được đưa vào mô hình 46

t l ng n c sông Phan 47

Hình 2.13.Mô hình MIKE 11 WQ Level 3 đ c s ng n c 48

Hình 2.14.Kết quả ng n c vào mô hình tính toán 48 Hình 3.1.Vị trí hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 51

Hình 3.2.Lưu lượng nước tính toán và giá trị chuẩn tại xóm Rừng, Thanh Trù, TP Vĩnh Yên, Vĩnh Phúc trên sông Phan, thời đoạn từ ngày 15/04-15/05/2011 52

Hình 3.3.Mực nước tính toán và Giá trị chuẩn tại xóm Rừng, Thanh Trù, TP Vĩnh Yên, Vĩnh Phúc trên sông Phan, thời đoạn từ ngày 31/07-01/09/2013 53

Hình 3.4.Vị trí các điểm quan trắc chất lượng môi trường nước mặt đợt 1 năm 2011 [11] 55

Hình 3.5.So sánh chỉ tiêu DO giữa kết quả tính toán với số liệu thực đo tại vị trí M44, M45 56

Hình 3.6.So sánh chỉ tiêu BOD5 giữa kết quả tính toán với số liệu thực đo tại M44, M45 56

Hình 3.7.So sánh nồng độ NH4+ giữa kết quả tính toán với số liệu thực đo tại M44, M45 56

Hình 3.8.So sánh nồng độ NO3- giữa kết quả tính toán với số liệu thực đo tại M44

và M45 57 Hình 3.9.Vị trí các điểm quan trắc môi trường nước mặt sông Phan đợt 1 năm 2013 [13] 58 Hình 3.10.So sánh chỉ tiêu DO giữa kết quả tính toán với số liệu thực đo tại NM16

và NM15 58 Hình 3.11.So sánh chỉ tiêu BOD5 giữa kết quả tính toán với số liệu thực đo tại NM16, NM15 59 Hình 3.12.So sánh nồng độ NH4+ giữa kết quả tính toán với số liệu thực đo tại NM16, NM15 59 Hình 3.13.So sánh nồng độ NO3- giữa kết quả tính toán với số liệu thực đo tại vị trí

đo NM16 và NM15 59 Hình 3.14.Vị trí các Biên nguồn nước thải sinh hoạt và công nghiệp được đưa vào trong mô hình tính toán chất lượng nước 63

bản 1) 67

Hình 3.17.Kết quả diễn biến chất lượng nước trên toàn lưu vực sông Phan chỉ tiêu

DO - KB 1 69 Hình 3.18.Kết quả diễn biến chất lượng nước trên toàn lưu vực sông Phan chỉ tiêu BODKB1 69 Hình 3.19.Kết quả diễn biến chất lượng nước trên toàn lưu vực sông Phan chỉ tiêu

NH4+ KB 1 70 Hình 3.20.Kết quả diễn biến chất lượng nước trên toàn lưu vực sông Phan chỉ tiêu

NO3- KB 1 70 Hình 3.21.Diễn biến hàm lượng Amonia (NH4+ tiếp nhận nước thải công nghiệp trên sông Phan (kịch bản 1) 71 Hình 3.22.Diễn biến hàm lượ g t 2,1 ÷3,7 mg/l) tại một số vị

sông Phan (KB 2) 76 Hình 3.23.Diễn biến hàm lượ

2) 77 Hình 3.24.Diễn biến hàm lượng BOD5 ng t 35÷80 mg/l) tại một số vị

77 Hình 3.25.Diễn biến hàm lượng BOD5

(KB 2) 77

Hình 3.26.Diễn biến hàm lượng Amonia (NH4+ 3,4÷5,4 mg/l) tại một

số vị 78 Hình 3.27.Diễn biến hàm lượng Amonia (NH4+

sông Phan (KB 2) 78 Hình 3.28.Diễn biến hàm lượng Nitrat (N03- 6,5÷9,0 mg/l) tại một số

vị 78 Hình 3.29.Diễn biến hàm lượng Nitrat (N03-

Phan (KB 2) 79 Hình 3.30.Diễn biến hàm lượng BOD5

(KB 3-1) 81 Hình 3.31.Diễn biến hàm lượng NH4+

(KB 3-1) 82 Hình 3.32.Diễn biến hàm lượng BOD5

(KB 3-2) 84 Hình 3.33.Diễn biến hàm lượng NH4+

(KB 3-2) 85 Hình 3.34.Diễn biến hàm lượ

(KB 4) 89 Hình 3.35.Diễn biến hàm lượng BOD5

Phan (KB 4) 90 Hình 3.36.Diễn biến hàm lượng Amonia (NH4+

sông Phan (KB 4) 90 Hình 3.37.Diễn biến hàm lượng NO3-

(KB 4) 90

94

ử lý nước thải có hàm lượng ô nhiễm chất hữu cơ cao

ưu v c sông Phan 96 Hình 3.40.Hình ảnh minh họa bể xử lý sinh học 97

c n c, lưu l 1

c n c, lưu l 5

MỞ ĐẦU

Vĩnh Phúc có một mạng lưới sông, suối khá dày đặc với hai hệ thống sông chính là sông Hồng và sông Cà Lồ Ngoài ra, Vĩnh Phúc còn có các sông khác như:

[15]

Nguồn nước cung cấp cho hoạt động phát triển kinh tế xã hội của tỉnh Vĩnh Phúc chủ yếu là nước mặt từ sông Hồng, sông Phó Đáy, sông Phan, nước mưa và nước được tích trữ trong các đầm, hồ tự nhiên và nhân tạo

Lưu vực sông Phan có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với phát triển kinh tế xã hội của tỉnh Vĩnh Phúc, là nguồn cung cấp nước cho sản xuất nông nghiệp của hầu hết các huyện, thành thị, là trục tiêu thoát nước chính cho toàn tỉnh trong mùa mưa,

lũ Lưu vực sông Phan có giá trị sinh thái cao, có tiềm năng khai thác để phát triển

du lịch Tuy nhiên, tình trạng ô nhiễm môi trường lưu vực sông Phan đang ngày càng nghiêm trọng do thường xuyên phải tiếp nhận nguồn nước thải rất lớn từ các hoạt động sinh hoạt, sản xuất, chăn nuôi của các khu dân cư, thành phố, thị xã; tình trạng ngập úng về mùa mưa lũ và tình trạng khô cạn về mùa khô Đặc biệt sông Phan còn tiếp nhận nước thải của hầu hết các khu công nghiệp trên địa bàn tỉnh, nước thải từ nhiều làng nghề, trường học, bệnh viện, doanh trại quân đội

Từ những thực tế trên, việc đánh giá, dự báo các tác động do các nguồn thải tới diễn biến chất lượng nước sông Phan trong các năm sắp tới là cần thiết Trên cơ

sở đánh giá, dự báo có thể đề xuất các nhóm giải pháp, biện pháp phù hợp để giảm thiểu ô nhiễm, bảo vệ môi trường lưu vực sông

2 Lịch sử nghiên cứu

đề xuất các giải pháp

của việc xả nước thải sinh hoạt và công nghiệp

song n,

1) Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của quá trình đô thị hóa, công nghiệp hóa tại Thành phố Vĩnh Yên đến môi trường sông Phan và đề xuất các giải pháp quản lý” (2012), do Đào Duy Hưng -

quả quản lý môi trường sông Phan

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu

- Đánh giá hiện trạng chất lượng nước sông Phan ảnh hưởng của việc xả nước thải sinh hoạt và công nghiệp đến chất lượng nước sông Phan tỉnh Vĩnh Phúc đến năm 2030

-

5 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp được sử dụng trong luận văn bao gồm:

- Phương pháp thu thập, tổng hợp tài liệu

- Phương pháp điều tra, khảo sát thực tế

-

- Phương pháp xử lý số liệu và đánh giá kết quả

6 Bố cục của luận văn

đ `l Luận văn bao gồm 3 chương:

Chương 1:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE 11 và các bước xây dựng mô hình Chương 3: Kết quả và bàn luận

Sông Phan bắt nguồn từ sườn Nam dãy núi Tam Đảo chảy theo hướng Nam qua

24 xã thuộc các huyện, thành phố: Tam Dương, Vĩnh Tường, Vĩnh Yên và Bình Xuyên

Hình 1.1.Bản đồ lưu vực sông Phan, tỉnh Vĩnh Phúc [15]

Diện tích lưu vực sông Phan chưa có số liệu chính xác, nhưng ước tính chiếm

ít nhất khoảng 60% diện tích tỉnh Vĩnh Phúc, tương đương khoảng 800 km2 Tổng diện tích tự nhiên của các xã có sông Phan chảy qua là 157 km2 [15]

Lưu vực sông Phan có điều kiện địa hình phức tạp Hướng dốc từ

xuống Đông Nam; phẩ ệ ắc là vùng núi, đồi (huyện Tam Dương, Tam Đảo, Bình Xuyên) với cao độ ến từ 300 m đến 700 m; a Nam và Đông Nam là thấp, trũng, cao độ phố biến +10,0 m đ n +12,0 m (huyện

, Yên Lạc) và các trũng có cao độ +5,0 ~ 6,0 m Địa

vào dãy núi Tam Đảo ở phía Đông Bắc; phía Tây Nam bao bọc

Lô Như vậy, có thể chia địa hình lưu vực làm 3 vùng: Đồng bằng, trung du

và vùng núi

c Đặc điểm chế độ thủy văn - khu vực nghiên cứu [15]

Vĩnh Phúc có mạng lưới sông, suối khá dày đặc (mật độ lưới sông trung bình 0,5 - 1km/km 2 ) với các hệ thống sông chính là sông Hồng, sông Lô và sông Cà Lồ

Hệ thống sông Cà Lồ: Chảy trong nội tỉnh, hệ thống sông Cà Lồ gồm sông Cà

Lồ và nhiều nhánh nhỏ, đáng kể nhất là sông Phan, sông Cầu Bòn, sông Bá Hạ, suối Cheo Meo

Sông Phan: là sông nội tỉnh lớn của tỉnh Vĩnh Phúc, bắt nguồn từ sườn Nam

dãy núi Tam Đảo (khu vực các xã Tam Quan, Hoàng Hoa, Hợp Châu huyện Tam Đảo) Đến kênh Liễn Sơn ở độ cao 15,2m, tọa độ: 21o21’17,5” B : 105o32’5,9” Đ sông bắt đầu hình thành dòng chảy rõ nét Tiếp theo, sông chảy theo hướng Nam qua huyện Tam Dương, Vĩnh Tường, Yên Lạc, thành phố Vĩnh Yên (tại đây, sông Phan có cửa thông với Đầm Vạc) Tại xã Quất Lưu, huyện Bình Xuyên, sông chia thành hai nhánh, một nhánh cụt chảy vào xã Đạo Đức, còn một nhánh chảy tiếp về phía tây nhập sông Cánh (sông Cầu Bòn - sông Sau - sông Tranh) ở cầu Tam Canh, thị xã Hương Canh và sông Bá Hạ chảy từ xã Minh Quang, huyện Tam Đảo ở xã Sơn Lôi, huyện Bình Xuyên, sau đó đổ nước vào sông Cà Lồ tại thôn Đại Lợi, xã Nam Viêm, thị xã Phúc Yên Đây được xem là điểm kết thúc của sông Phan (tọa độ:

21o15’28,6” B:105o41’4,8”Đ) Trên suốt chiều dài khoảng 65 km, sông Phan chảy qua địa phận 24 xã thuộc các huyện Tam Đảo, Tam Dương, Vĩnh Tường, Yên Lạc, thành phố Vĩnh Yên và huyện Bình Xuyên của tỉnh Vĩnh Phúc bao gồm An Hòa, Hoàng Đan, Duy Phiên, Hoàng Lâu, Kim Xá, Yên Bình, Yên Lập, Tân Tiến, Lũng Hòa, Thổ Tang, Vĩnh Sơn, Vũ Di, Bình Dương, Vân Xuân, Tề Lỗ, Hội Hợp, Đồng Văn, Trung Nguyên, Đồng Cương, Đồng Tâm, Thanh Trù, Quất Lưu, Hương Canh

và Sơn Lôi

Nguồn nước sông Cà Lồ ngày nay chủ yếu là nước các sông, suối bắt nguồn từ núi Tam Đảo, núi Sóc Sơn, lưu lượng trung bình 30m3/giây Lưu lượng cao nhất về mùa mưa khoảng 286m3/giây với vai trò chính là tiêu úng mùa mưa

Ngoài ra, trên lưu vực sông Phan còn có Đầm Vạc là nơi tiếp nhận nước thải khu vực thành phố vĩnh Yên cũng như có điểm nhập lưu với sông Phan

- Đầm Vạc: Nằm ở phía Tây Nam thành phố Vĩnh Yên có diện tích mặt thoáng

về mùa khô khoảng 250 ha, dung tích khoảng 6 triệu m3

có tác dụng điều tiết lượng nước tưới tiêu ở khu vực, là thuỷ vực có tính đa dạng sinh học cao

-a Đặc điểm dân số khu vực nghiên cứu

Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn có 11 xã có sông Phan chảy qua, bao gồm: Vũ Di, Bình Dương, Vân Xuân, Tề Lỗ, Hội Hợp, Đồng Văn, Trung Nguyên, Đồng Cương, Đồng Tâm, Thanh Trù, Quất Lưu với tổng diện tích tự nhiên là 67,37

km2, dân số 98.915 người (bảng 1.1)

Dân cư thường phân bố không đều, tập trung ở những nơi có điều kiện phát triển kinh tế và thuận lợi cho đời sống sinh hoạt Mật độ dân số trung bình của các

xã có sông Phan chảy qua trong phạm vi nghiên cứu là 1.468,24 người/km2

Bảng 1.1 Diện tích và dân số, mật độ dân số trong khu vực nghiên cứu [3]

(người/km 2 )

STT Tên xã Diện tích (km 2 ) Dân số (người) Mật độ

b Đặc điểm nguồn nhân lực phân theo ngành sản xuất chính của địa phương

Tại các xã Bình Dương, Vũ Di, Vân Xuân (huyện Vĩnh Tường) và Thanh Trù (thành phố Vĩnh Yên) là các xã có đất nông nghiệp chiếm phần lớn diện tích đất tự nhiên với trên 80% số hộ dân làm nông nghiệp là ngành sản xuất chính

Các xã Đồng Cương, Đồng Văn, Trung Nguyên, Tề Lỗ (huyện Yên Lạc) và xã Quất Lưu (huyện Bình Xuyên) có thành phần ngành nghề kinh tế đa dạng hơn Chỉ

có 50% số hộ tham gia ngành sản xuất chính là nông nghiệp, còn lại một bộ phận dân số tham gia vào các hoạt động buôn bán, các ngành công nghiệp, dịch vụ và vận tải, đặc biệt tại các xã Đồng Văn, Tề Lỗ các hoạt động các làng nghề tái chế chất thải (tái chế nhựa, sắt thép, máy móc…) diễn ra khá phổ biến Xã Sơn Lôi, Quất Lưu, thị trấn Hương Canh có khu công nghiệp Bình Xuyên, cụm công nghiệp Hương Canh với hàng trăm cơ sở sản xuất nằm trên địa bàn xã như các tập đoàn sản xuất gạch, công ty chế biến thức ăn gia súc, sản xuất má phanh, sản xuất vật liệu xây dựng, nên ước tính có tới 34% số hộ làm công nghiệp Các phường Đồng Tâm, Hội Hợp (thành phố Vĩnh Yên) là các địa phương tập trung đông dân cư, có

sự đa dạng ngành nghề kinh tế, bao gồm các ngành công nghiệp, thương nghiệp và dịch vụ đi kèm

Trong khu vực nghiên cứu, một số ít các hộ tham gia chăn nuôi thủy sản, gia súc, gia cầm với quy mô nhỏ lẻ, hầu như không có trang trại chăn nuôi tập trung

c Vệ sinh môi trường

Hiện nay, công tác bảo vệ môi trường ở các xã, phường có sông Phan chảy qua nhìn chung cũng đã được quan tâm Chính quyền địa phương thường xuyên vận động nhân dân làm công tác vệ sinh môi trường, khơi thông cống rãnh, dọn rác thải trong gia đình và ngõ xóm Một số địa phương đã trang bị xe chở rác, quần áo bảo

hộ cho đội thu gom rác thải Tuy nhiên, ngoại trừ các phường Đồng Tâm, Hội Hợp thu gom rác theo hệ thống của thành phố Vĩnh Yên, xã Đồng Cương là xã duy nhất

có trạm xử lý rác - ủ compost (là xã thí điểm dự án bảo vệ môi trường của tỉnh); các

xã còn lại trong khu vực đều chưa có bãi rác được quy hoạch Các điểm tập kết rác hầu hết là các bãi lộ thiên ở giữa đồng, có mặt nước ở gần Hầu hết các bãi tập kết rác hiện nay đã đầy và ô nhiễm Rác được tập kết về đây không qua phân loại và không được xử lý Trong vài năm gần đây, nhiều địa phương đã phải tự bỏ kinh phí

để khơi thông dòng chảy sông Phan do tình trạng rác thải nhiều, rong bèo phát triển mạnh do phú dưỡng, cản trở lưu thông, tiêu thoát nước, dẫn đến úng ngập nhanh và thường xuyên vào mùa lũ [15]

Nước thải sinh hoạt và nước thải của các hộ sản xuất phần lớn theo các cống rãnh ra các ao đầm, tiêu thấm tự nhiên Nước thải của các khu công nghiệp cũng thải ra các đầm (KCN Khai Quang - thành phố Vĩnh Yên), ra sông (KCN Bình Xuyên, cụm công nghiệp Hương Canh) Hiện có 2 dự án thu gom và xử lý nước thải đang xây dựng ở xã Đồng Cương và trạm xử lý nước thải sinh hoạt tập trung của thành phố Vĩnh Yên ở xã Quất Lưu, huyện Bình Xuyên

d Công tác thủy lợi

Chiều dài kênh mương thủy lợi do các xã trên lưu vực sông quản lý (24 xã) là

530 km Chiều dài kênh mương được kiên cố hoá là 72,5 km (tỷ lệ được kiên cố hóa

là 13,7%) Số trạm bơm nước phục vụ sản xuất nông, lâm, thuỷ sản trên địa bàn các

xã là 73 trạm, trong đó trạm bơm Liễn Sơn có ý nghĩa nhất trong việc cấp nước phục vụ hoạt động sản xuất nông nghiệp Nhìn chung, nước tưới được đảm bảo kịp thời đáp ứng với nhu cầu sinh trưởng của cây trồng Bên cạnh đó, các hợp tác xã đã tiến hành nạo vét kênh mương định kỳ đảm bảo việc tưới tiêu nước được tốt, tạo điều kiện thuận lợi cho sản xuất nông nghiệp [15]

năm 2014 [10], [11], [12], [13], [14] cho thấy những dấu hiệu suy giảm chất lượng

và ô nhiễm nước mặt cục bộ bởi các chất hữu cơ, chất rắn lơ lửng, coliform… vào một giai đoạn nhất định, cụ thể:

a Đầm Vạc

Từ 2002 đến 2007 hàm lượng chất hữu cơ liên tục tăng lên và tăng mạnh nhất vào năm 2006 và 2007 (BOD5 vượt từ 1,6 đến 5,2 lần và COD vượt từ 2 đến 5,2 lần

so với quy chuẩn cho phép) Từ năm 2007 đến nay đã giảm rõ rệt, đặc biệt là từ năm

2009 đến 2010, nhưng vẫn bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ (BOD5 vượt từ 1,5 lần và COD vượt 1,9 lần so với quy chuẩn cho phép) Nguyên nhân của sự gia tăng ô nhiễm là do sự phát triển công nghiệp và đô thị hóa tăng, công tác quản lý chưa chặt chẽ, các cơ sở sản xuất chưa quan tâm đầu tư xử lý nước thải Còn từ năm 2008 công tác quản lý đã đi vào nề nếp, chặt chẽ hơn, các cơ sở sản xuất và KCN đã quan tâm hơn trong xử lý nước thải

b Sông Phan

Trong thời gian từ 2002 đến 2004, hàm lượng chất hữu cơ tăng không đáng kể

và bắt đầu tăng mạnh từ 2005 đến 2007 (BOD5 vượt từ 1,9 - 2,3 lần và COD vượt từ 3,2 - 3,5 lần so với quy chuẩn cho phép) Từ năm 2009 đến nay, các chỉ số này đã

giảm rõ rệt và chất lượng môi trường nước sông Phan tuy vẫn bị ô nhiễm, nhưng đã được cải thiện nhiều Điều này cũng cho thấy sự phát triển công nghiệp ở thành phố Vĩnh Yên phát triển sớm và nhanh hơn so với huyện Yên Lạc Mức độ ô nhiễm ở sông Phan cũng thấp hơn so với Đầm Vạc, một phần là sự pha loãng, tự làm sạch của sông Phan lớn hơn và một phần không phải tiếp nhận một lượng lớn nước thải

1.1.2.2 Các tác động ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng, dòng chảy và chất lượng nước sông Phan

a Các yếu tố ảnh hưởng đến lưu lượng dòng chảy [15]

Các yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy vào lưu lượng nước sông Phan có thể kể đến như: lượng mưa, phân bố mưa, thảm phủ thực vật, khả năng giữ nước của đất, các công trình thủy trị, nước thải từ các khu dân cư, cơ sở sản xuất, chăn nuôi… Khu vực thượng nguồn của sông ở phía bắc là nơi có lượng mưa lớn hơn do địa hình chắn gió của dãy Tam Đảo Khả năng giữ nước của rừng đầu nguồn và khả năng điều tiết của các hồ chứa đầu nguồn là yếu tố quan trọng góp phần điều hòa dòng chảy và ổn định lưu lượng nước sông

Ở phần hạ lưu sông thuộc vùng đồng bằng lượng mưa giảm rõ rệt 1.600 mm/năm), tốc độ dòng chảy thấp hơn do địa hình bằng phẳng Lượng nước hồi quy từ tưới tiêu nông nghiệp, nước thải công nghiệp và đô thị cũng góp phần gia tăng lưu lượng dòng chảy

(1.500-Bên cạnh đó, những hoạt động ngăn dòng phục vụ nuôi trồng thủy sản đã ảnh hưởng không nhỏ đến dòng chảy của sông Phan Trong tương lai, hệ thống các công trình thủy nông được xây dựng, các hồ điều hòa được nạo vét… sẽ góp phần điều hòa dòng chảy và giúp cho lưu lượng nước sông Phan ổn định hơn

Với 5 trạm bơm tưới chính trên lưu vực, sông Phan có khả năng cung cấp nước tưới cho khoảng 17.000 ha diện tích đất nông nghiệp với lưu lượng 53 m3/s

Hệ thống sông Phan kết hợp với các tuyến kênh mương chính như kênh Liễn Sơn, kênh Bến Tre… cung cấp nước tưới cho đồng ruộng và tiêu úng về mùa mưa

Bảng 1.2.Hệ thống trạm bơm tưới chính trong lưu vực sông Phan [20]

TT Tên Huyện Diện tich tưới (ha) Lưu lượng (m 3 /s)

5 Cống 5 cửa Liễn Sơn Tam Dương 17.000 17

Bảng 1.3.Hệ thống kênh và cầu máng thuộc lưu vực sông Phan [20]

/s)

4 Kênh chính hữu Ngạn Liễn Sơn Kênh chính 1,2

5 Kênh chính Vân Trục Hồ Vân Trục Kênh chính 2,2

6 Kênh chính Nam Hồ Đại Lải Kênh chính 1,8

7 Kênh chính Bắc Hồ Đại Lải Kênh chính 0,9

8 Kênh chính Thanh Điền TB Thanh Điền Kênh chính 9,79

b Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nước trong phạm vi luận văn

Ảnh hưởng của các hoạt động công nghiệp

Theo bản đồ quy khu công nghiệp tỉnh Vĩnh Phúc đến năm 2020, diện tích các khu công nghiệp dự kiến là 9.151 ha, trong đó lưu vực sông Phan có 4.687 ha chiếm 51,22% Trong tương lai công nghiệp tỉnh tập trung nhiều nhà máy với nhiều loại hình hoạt động khác nhau: thực phẩm, cơ khí, luyện kim, chế tạo máy, thiết bị, dệt may, bao bì, hoá chất, chất dẻo, cao su…

Như vậy, về khối lượng và thành phần chất thải công nghiệp sẽ có những thay đổi nhất định Tuy nhiên, việc kiểm soát xử lý chất ô nhiễm trước khi thải vào môi

trường của các khu công nghiệp nếu được thực hiện nghiêm ngặt theo quy định thì

sẽ giảm được đáng kể những tác động xấu đến môi trường nói chung, đặc biệt là môi trường nước sông Phan nói riêng

Hình 1.2.Sông Phan đoạn chảy qua cầu Vật Cách xã Đồng Cương, huyện Yên Lạc - nguồn

cung cấp nước tưới cho nông nghiệp ở Vĩnh Phúc

Ảnh hưởng của đô thị hóa và gia tăng dân số

Tỷ lệ dân số đô thị toàn tỉnh Vĩnh Phúc có xu hướng tăng dần từ nay đến năm

2020 Theo quy hoạch chung xây dựng đô thị Vĩnh Phúc đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm 2050 do Sở Xây dựng tỉnh Vĩnh Phúc và cơ quan tư vấn Nhật Bản NIKKEN SEKKEI CIVIL ENGINEERING lập năm 2010, dân số đô thị tỉnh Vĩnh Phúc sẽ đạt 1 triệu người so với tổng số 1,8 triệu toàn tỉnh vào năm 2030 Với sự hình thành đô thị Vĩnh Phúc có không gian mở rộng từ thành phố Vĩnh Yên đến thị

xã Phúc Yên, nhiều làng khu vực nông thôn thuộc các huyện Bình Xuyên, Yên Lạc, Tam Dương, Phúc Yên sẽ trở thành đô thị và dân cư đô thị

Không chỉ số lượng dân đô thị tăng thêm, nhu cầu sử dụng nước của người dân cũng tăng lên khi điều kiện sống được cải thiện Đối với cư dân thành thị nhu

cầu sử dụng hiện tại khoảng 80-100l/ngày, dự báo nhu cầu sử dụng nước vào năm

2020 sẽ tiêu thụ nhiều nước hơn: 120 - 150l/ngày; người dân nông thôn sử dụng 40

- 60l/ngày mỗi ngày hiện tại sẽ tăng lên 80 - 100l/ngày vào năm 2020 Do đó, có thể

ước tính nước cấp sinh hoạt năm 2020 của tỉnh có thể lên đến 49 - 62 triệu m3

mỗi năm Với tỷ lệ khoảng 80% lượng nước cấp cho sinh hoạt thì lượng nước thải mỗi

năm của tỉnh sẽ đạt 39 - 49 triệu m3 Đây là sức ép lớn từ nước thải sinh hoạt lên hệ thống sông Phan ảnh hưởng nghiêm trọng tới chất lượng nước sông

1.1.2.3 Các nguồn thải nước thải vào lưu vực sông Phan (trong phạm vi nghiên cứu của Báo cáo)

Nước thải sinh hoạt

Nhìn chung, hầu như nước thải sinh hoạt và sản xuất của các hộ dân, các cơ sở sản xuất nhỏ lẻ, các làng nghề nằm xen kẽ trong khu dân cư đều xả thải trực tiếp vào môi trường Nước thải chảy qua các mương, rãnh xuống các thủy vực xung quanh và cuối cùng có thể dẫn tới sông Phan

Lưu lượng nước thải sinh hoạt thải vào sông Phan phụ thuộc vào các yếu tố như số dân, mật độ dân số và sự phân bố của các khu dân cư Với dân số lưu vực nghiên cứu ước tính khoảng 98.915 người (theo số liệu của các Niên giám thống kê)

và với nhu cầu sử dụng nước sinh hoạt trung bình khoảng 80 lít/người/ngày, có thể ước tính được tổng lượng nước thải sinh hoạt đổ vào sông Phan khu vực nghiên cứu

là khoảng 6.330 m3/ngày Với đặc điểm các khu dân cư tập trung phân bố không đều trên lưu vực - thưa thớt ở vùng thượng nguồn và đông đúc hơn ở khu vực trung

và hạ lưu, do đó lưu lượng nước thải sinh hoạt ở trung và hạ lưu sông lớn hơn so với phần thượng lưu sông Đặc biệt, tại khu vực tập trung đông đúc dân cư là TP Vĩnh Yên, lưu lượng thải sẽ tăng đột biến làm thay đổi của một số tính chất nước như: hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học tăng, nồng độ oxy hòa giảm, hiện tượng phú dưỡng, các thông số Coliform, E.coli tăng

Nước thải công nghiệp

Nước thải từ các cơ sở công nghiệp trên địa bàn đều xả thải trực tiếp vào các

hệ thống kênh rạch, rồi đổ vào sông Phan không qua xử lý hoặc có xử lý sơ bộ chưa đạt TCCP của các Quy chuẩn nước thải hiện hành Nước thải từ các cơ sở công nghiệp lại là tác nhân lớn gây ô nhiễm môi trường nước sông Phan

Lưu lượng nước thải trung bình hàng năm tại các khu công nghiệp là rất lớn Hầu hết các khu công nghiệp nằm chủ yếu ở dọc tuyến quốc lộ 2A và tập trung ở một số huyện, thành phố, thị xã như: Thành phố Vĩnh Yên (KCN Khai Quang),

huyện Bình Xuyên (KCN Bình Xuyên và CCN Hương Canh), nên nguồn thải công nghiệp mang tính cục bộ cao Lưu lượng thải ước tính cho toàn bộ các khu công nghiệp này đổ vào sông Phan khu vực dự án khoảng 8.000 m3/ngày Với đặc trưng tập trung chủ yếu ở hạ lưu sông Phan, nước thải các khu công nghiệp có nguy cơ gây ô nhiễm cục bộ cho đoạn sông này

1.1.3

Theo các báo cáo kết quả phân tích “Quan trắc hiện trạng môi trường” trong

các năm 2010, 2011, 2012, 2013, 2014 [10], [11], [12], [13], [14] cho thấy: chất lượng nước sông Phan vẫn còn tương đối tốt, các thông số hầu hết nằm trong giới hạn cho phép so với quy chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT- cột B1 Tuy nhiên cũng có một vài thông số như DO, BOD, coliform, Ecoli, NH4+… ở một vài điểm lấy mẫu cao hơn quy chuẩn Việt Nam và sự ô nhiễm này chỉ là cục bộ ở một số nơi, đặc biệt là các khu vực đông dân cư như phường Đồng Tâm, làng nghề Tề Lỗ, Thị trấn Yên Lạc, Đầm Vạ

sinh vượt quá quy chuẩn cho phép và nguồn nước đã bị ô nhiễm do dòng sông tiếp nhận nước thải sinh hoạt, nước thải chăn nuôi từ khu dân cư đông đúc Bên cạnh việc dòng sông Phan đi qua khu vực này đang ngày càng bị bức tử bởi ô nhiễm thì

sự ảnh hưởng cũng như sự tác động của chất lượng nước sông Phan tới đời sống và

sự phát triển kinh tế của toàn vùng là vô cùng to lớn Do đó, Đề tài đã xác định lựa chọn khu vực sông Phan đoạn từ Xã Vũ Di, huyện Vĩnh Tường đến xã Quất Lưu, huyện Bình Xuyên làm khu vực trọng tâm nghiên cứu, đánh giá dự báo chất lượng nước Đoạn sông nghiên cứu có tổng chiều dài là 25.000 m

, dự báo chất lượng môi trường nước

quản lý chất lượng nước nay

1.2

Với các mục đích nghiên cứu, mô phỏng trên các đối tượng khác nhau nên các

rất phong phú và đa dạng Theo hướng dẫn của ngân hàng thế giới (WB) trong lĩnh vực ngăn ngừa và giảm thiểu ô nhiễm đối với các dự án phát triển và các ứng dụng trong thực tiễn trên thế giới cũng như nước ta trong những năm gần đây, các phần mềm sau thường sử dụng để tính toán mô phỏng chất lượng nước:

1987, QUAL2K là bản cải tiến ra đời 3/2006 Những công trình đầu tiên về QUAL2 được trình bày trong tài liệu Quai I & II, Stream Water Quality, Texas Water Development Board, Environmental Protection Agency; (1971, 1973) và sau này được trình bày trong công trình Qual2E, Enhanced Stream Water Quality Model; EPA, Center for Exposure Assessment Modeling (1985) QUAL2E-UNCAS là một phiên bản nâng cao của QUAL2E nó cung cấp những khả năng để phân tích tính không chắc chắn Sự ra đời của QUAL2E đã thúc đẩy nghiên cứu ứng dụng các công cụ mô hinh

trong bài toán mô phỏng chất lượng nước cho hệ thống kênh sông QUAL2K là phiên bản mới nhất ra đời vào tháng 3/2006

Mô hình QUAL2K 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 này được sử dụng rộng rãi để dự đoán hàm lượng tải trọng của các chất thải cho phép thải vào sông Mô hình cho phép

mô phỏng các thành phần thông số chất lượng nước sông bao gồm nhiệt độ, BOD5,

DO, tảo dưới dạng chlorophyl, nitơ hữu cơ (Norg), nitrit ( N-NO2), nitrat (N-NO3- ), phot pho hữu cơ (Porg), phot pho hoà tan, coliform và 3 thông số khác ít biến đổi trong nước

Mô hình có thể áp dụng cho các sông nhánh xáo trộn hoàn toàn Với giả thiết rằng 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 Mô hình QUAL2K cũng có thể tính toán lưu lượng cần thiết thêm vào để đạt được giá trị ôxy hoà tan theo tiêu chuẩn

Về mặt thuỷ lực mô hình QUAL2K có thể tính toán được ở 2 chế độ là trạng thái

ổn định và trạng thái động Ở trạng thái ổn định, mô hình có thể được sử dụng để tính toán nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng chất thải (cường độ, chất lượng và vị trí) đối với chất lượng nước sông và cũng có thể sử dụng liên kết với chương trình lấy mẫu thực địa để nhận diện các đặc tính cường độ và chất lượng của tải trọng từ các nguồn diện (non-point sources) Ở trạng thái động, mô hình QUAL2K có thể được sử dụng

để nghiên cứu ảnh hưởng do sự thay đổi khí hậu hằng ngày đối với chất lượng nước (ôxy hoà tan nhiệt độ) và cũng có thể nghiên cứu sự thay đổi oxy hoà tan hằng ngày

do sự hô hấp và tăng trưởng của tảo

WASP7 là phiên bản nâng cấp mới nhất trong họ WASP chạy trong môi trường Windows của Bộ Chương trình mô phỏng phân tích chất lượng nước Phiên bản WASP7 được phát triển nhằm giúp đỡ các nhà lập mô hình thực hiện Chương trình

mô phỏng phân tích chất lượng nước WASP có 3 đặc trưng như sau: phần tiền xử lý, phần xử lý dữ liệu nhanh, và phần hậu xử lý biểu diễn đồ họa giúp nhà lập mô hình sử dụng WASP nhanh hơn một cách dễ dàng, ngoài ra còn có thể đánh giá các kết quả từ

mô hình dưới dạng số và đồ họa

WASP7 bao gồm: l) giao diện dựa trên các cửa sổ dễ dùng, 2) một bộ tiền xử lý giúp nhà lập mô hình chuyển dữ liệu về dạng thích hợp cho WASP, 3) các phần xử lý

mô hình phú dưỡng hóa và chất hữu cơ có tốc độ cao, và 4) phần hậu xử lý - biểu diễn

đồ họa để xem các kết quả của WASP và so sánh chúng với các dữ liệu thực đo

Do kiến trúc được thiết kế của WASP7 làm cho người sử dụng dễ dàng phát triển các mô đun động lực cho WASP Hiện tại USEPA đang dự định phát triển mô hình phú dưỡng hóa nâng cao bao gồm thêm một số biến trạng thái: 2 nhóm tảo, độ mặn, cân bằng nhiệt đầy đủ, coliform, nhóm BOD thứ 2, mô hình chất lắng,

Hệ thống WASP bao gồm 2 chương trình tính toán độc lập: DYNHYD và WASP6; chúng có thể chạy riêng rẽ hoặc kết hợp với nhau Chương trình thủy động lực - DYNHYD mô phỏng sự chuyển động của nước trong khi đó chương trình chất lượng nước - WASP - mô phỏng sự chuyển động và tương tác của các chất ô nhiễm trong nước Ngoài DYNHYD kết hợp cùng với WASP còn có các chương trình thủy động lực khác cũng có thể được liên kết WASP

Trong đó WASP7 bao gồm 2 mô hình động lực con mô phỏng 2 nhóm chính về các vấn đề chất lượng nước: phần ô nhiễm thông thường (như ôxy hòa tan, nhu cầu ôxy sinh hóa, chất dinh dưỡng và phú dưỡng hóa) và phần ô nhiễm chất độc (như các chất hữu cơ, kim loại, và chất lắng), lần lượt là EUTRO và TOXI

cũng có thể mô phỏng tựa 2D và 3D bằng cách chia hộp với đa dạng thành phần chất ô nhiễm

- Có thể ứng dụng cho hầu như mọi nguồn nước (ao, suối, hồ, sông, cửa sông, các vùng ven biển);

- Chạy dễ dàng trên máy tính cá nhân cấu hình bình thường với giao diện đơn giản, dễ sử dụng hơn so với các phiên bản trước của nó;

- Có thể mô phỏng chất lượng nước ở những bước thời gian ngắn (ngày, giờ chứ không bắt buộc phải mùa hay năm…);

- Có thể tích hợp với GIS; WASP sử dụng các hệ số tỷ lệ (Scale Factor) trong các trình đơn “Loads”, “Exchanges”, “Flows”, “Boundarys” giúp người sử dụng thuận tiện và nhanh chóng hơn khi hiệu chỉnh mô hình, tìm hiểu các quá trình hoặc xây dựng các kịch bản mô phỏng

- Khi áp dụng WASP đòi hỏi nhiều số liệu;

- WASP tách riêng 2 modul EUTRO và TOXI, do đó khi mô phỏng quá trình phú dưỡng, EUTRO không xét đến ảnh hưởng của kim loại, hoá chất dạng vết hay bùn cát, hạt mịn

- Không xử lý được những biến số và quá trình của chất lỏng không đồng nhất

là nước (chẳng hạn đối với sự cố tràn dầu); của phân đoạn khô (như đầm lầy, đồng bằng cửa sông do nước lũ tạo thành); của phản ứng tạo kim loại

-

bao gồm 6 bước lần lượt là: chia phân đoạn; xác định chiều sâu phân đoạn; tính thể tích phân đoạn; tính lưu lượng vào-ra tại mỗi phân đoạn; tính tải lượng dinh dưỡng; tính toán nồng độ ban đầu và nồng

độ biên

Bộ phần mềm các mô hình tính toán thuỷ lực và chất lượng nước DELFT (Viện thủy lực Hà Lan) bao gồm hệ thống các phần mềm như DELFT3D, SOBEK, RIBASIM, DELFT-FLS, và DELFT-WAVES

Telemac là một công cụ mạnh để mô hình hình hóa dòng chảy có mặt thoáng

Ở châu Âu, hệ thống Telemac trở thành một công cụ hữu hiệu để tính toán dòng chảy của sông và biển Hệ thống này gồm nhiều modules được xây dựng trên các

thuật toán mạnh khi dùng phương pháp phần tử hữu hạn Miền tính toán được rời rạc hóa bằng lưới các phần tử tam giác phi cấu trúc Nhờ vậy, Telemac có thể chi tiết hóa miền tính toán, đặc biệt tại những vị trí có địa hình hay địa mạo phức tạp

Bên cạnh đó, Telemac có bộ công cụ chuẩn bị và xử lý số liệu trước và sau khi tính toán rất hiệu quả, tạo giao diện thuận lợi cho người sử dụng Hầu hết các chương trình tính toán xử lý số liệu đều được xây dựng từ các thư viện vì thế có thể cung cấp cho người sử dụng một lượng thông tin cần thiết Lưới tính toán có thể dễ dàng tạo nên khi dùng một bộ chương trình tạo lưới được gắn sẵn trong hệ thống Telemac

Thực tế chương trình Telemac là 1 chương trình trong hệ thống MASCARET của Trung tâm nghiên cứu thủy lực quốc gia của Điện lực Pháp Trước đây, hệ thống này được phát triển và có thu phí như các hệ thống tính toán thủy lực khác Nhưng đến năm 2010 hệ thống này chính thức được cung cấp miễn phí cho cộng đồng người sử dụng thông qua trang www.opentelemac.org Hệ thống này có thể chạy trên các hệ điều hành như: Window, Linux, UNIX, siêu máy tính (Cray, Fujitsu, IBM, )

- Có rất nhiều các mô hình có sẵn, với mã nguồn mở dùng cho việc giải các bài toán thủy động lực như: Telemac2D, Telemac3D, Mascret, Artemis Khi chạy Telemac trên các hệ thống máy có nhiều processors (vi xử lý) với thời lượng tính toán rất ngắn với độ chính xác cao

- G

-

1.2.5 Các ứng dụng và nghiên cứu ở trong nước

Ở trong nước, các mô hình hiện đại trên đã được nghiên cứu áp dụng tính toán rộng rãi cho các lưu vực sông của nhiều cơ quan khác nhau Tại Viện Khí tượng Thủy văn sử dụng mô hình MIKE để tính toán dự báo lũ Các cơ quan khác ứng dụng các mô hình này chủ yếu cho việc tính toán thủy lực và thủy văn thiết kế Nhưng về mảng tính toán chất lượng nước và sinh thái thì chưa được triển khai rộng rãi Các

cơ quan đang sử dụng và tính toán bằng các mô hình này gồm:

Viện Quy hoạch thủy lợi: xây dựng nghiên cứu ứng dụng và phát triển các phần

mềm tiên tiến trong đánh giá nguồn nước, quy hoạch, thiết kế xây dựng thủy lợi (các

mô hình lưu vực sông MIKE BASIN, MIKE SHE, MITSIM, REBASIN, mô hình thủy văn SSARR, NAM, TANK, AR, ARIMA…, mô hình thủy lực VRSAP, KOD1, WENDY, SOBEK, MIKE11, MIKE21, MIKE FLOOD, TELEMAC-2D, mô hình chất lượng nước QUALK2, MIKE BASIN-QW, MIKE Ecolab… )

Viện Khí tượng Thủy văn: triển khai và ứng dụng mô hình DESERT tính toán

chất lượng nước được nghiên cứu ứng dụng bởi Viện khí Tượng thủy Văn tính toán cho các quá trình lan truyền các chất thải cho các đoạn sông thuộc hệ thống sông Hồng (từ Yên Bái - Hòa Bình - Vụ Quang - Sơn Tây) Các mô hình của MIKE, SMS, NAM cũng được triển khai và ứng dụng

Tổng cục Môi trường (Cục bảo vệ môi trường cũ): triển khai và ứng dụng mô

hình DELFT mô phỏng chất lượng nước Hồ Tây do tác giả Hoàng Dương Tùng sử dụng mô hình DELFT - 3D FLOW tính toán thủy lực và DELFT 3D -WAQ mô phỏng chất lượng nước Hồ; ứng dụng mô hình Mike 11 trong mô phỏng chất lượng nước lưu vực sông Cầu do Trung tâm Tư vấn và Chuyển giao Công nghệ môi trường thực hiện

Các cơ quan khác hiện đang sử dụng rải rác các loại mô hình này hoặc tự xây dựng các mô hình ở mức độ nghiên cứu

1.2.6

Trong những năm 1990, Viện thủy lực Đan Mạch đã thiết lập hệ thống chất lượng nước cho kênh, sông Hệ thống này có thể tính toán sự lan truyền chất

ô nhiễm trong dòng chả các nguồn khác nhau vào các lưu vực khác nhau

Tùy thuộc đối tượng nghiên cứu, yêu cầu tính toán các thông số chất lượng nước trong dòng chảy sông, cửa sông, hồ hay biển mà áp dụng các phiên bản khác nhau như MIKE 11, MIKE 21, MIKE 3, MIKE SHE, MIKE MOUSE và MIKE BASIN

- Là bộ phần mềm tích hợp đa tính năng: Phần mềm Mike 11 WQ (water

quality) có thể tích hợp với các công cụ hỗ trợ khác như Word, Excel, Mapinfo, Google Earth, Arc-Gis…

- Là bộ phần mềm đã được kiểm nghiệm thực tế: Phần mềm tính toán chất

lượng nước Mike 11 WQ đã được ứng dụng thành công trong nhiều dự án trong nước

cũng như quốc tế như: Đề tài “Ứng dụng mô hình Mike 11 tính toán thủy lực, chất lượng nước cho lưu vực sông Sài Gòn- Đồng Nai” (Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường, 2009); Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 11 và Mike

21 trong mô phỏng chất lượng nước sông Vầu Trắng- Đà Nẵng” (Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng, 2011); Đề tài KC-08 “Nghiên cứu đánh giá chất lượng nước lưu vực sông Hương” (Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, 2013)…

- Cho phép tính toán thủy lực và chất lượng nước với độ chính xác cao: Qua

các đề tài, dự án chuyển giao khoa học công nghệ, các kỹ sư môi trường và các nhà khoa học đều tin tưởng và nhận định Mô hình Mike 11 là phù hợp với thực tế và có độ chính xác cao

- Giao diện thân thiện, dễ sử dụng: Việc trích xuất và trình bày kết quả vô cùng

đơn giản và trực quan Kết quả tính toán có thể hiển thị chi tiết tại một điểm nghiên cứu

điển hình hoặc trên toàn vùng Bên cạnh đó kết quả tính toán cũng được hiển thị bởi các thang chia giá trị phù hợp

- Có ứng dụng kỹ thuật GIS, là một kỹ thuật mới với tính hiệu quả cao: Mô

hình Mike 11 được thiết kế liên kết trực tiếp với phần phần mềm GIS cho phép hiển thị kết quả một cách nhanh chóng và phân tích kết quả hết sức dễ dàng

Có độ tin cậy cao kèm theo các đặc điểm nổi trội kể trên nên trong nghiên cứu này tác giả đã lựa chọn áp dụng bộ phần mềm Mike 11 với mục tiêu mô phỏng, tính toán thủy lực và chất lượng nước cho lưu vực sông Phan

Qua khảo sát các bộ phần mềm mô hình tính toán thủy lực và chất lượng nước kể trên tác giả nhận thấy bộ phần mềm tính toán đầy đủ và tiện ích nhất là bộ phần mềm của Mike 11.

1 “Ứng dụng mô hình Mike 11 đánh giá diễn biến chất lượng nước sông Truồi Thừa Thiên - Huế” - Nguyễn Đăng Huy, Bùi Tá Long, Lê Thị Hiền, Tạp chí Khí

tượng thuỷ văn 2012 Nghiên cứu đã đánh giá được tác động của làng nghề sản xuất

và chế biến tinh bột sắn Xuân Lai qua việc sử dụng mô hình Mike 11 kết hợp với quan trắc Kết quả bước đầu cho phép đánh giá được mức độ tác động của sự phát triển làng nghề này và đưa ra những khuyến cáo giúp cho công tác quy hoạch và quản lý nguồn nước

2 “Nghiên cứu áp dụng mô hình toán Mike 11 tính toán chất lượng nước sông Nhuệ - Sông Đáy” - Lê Vũ Việt Phong, Trần Hồng Thái, Phạm Văn Hải, Viện Khoa

học Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường Nghiên cứu đã ứng dụng mô hình Mike 11

để tính toán chất lượng nước sông Nhuệ - sông Đáy Nghiên cứu đã chỉ ra sự ảnh hưởng của phát triển kinh tế xã hội đến chất lượng nước sông và đề xuất triển khai

sử dụng bộ phần mềm này trên các sông để góp phần đánh giá hiện trạng ô nhiễm tại các sông ở Việt Nam

3 “Ứng dụng Mike 11 đánh giá chất lượng nước lưu vực sông Đồng Nai” -

Nguyễn Huy Khôi, Viện quy hoạch thuỷ lợi Miền Nam, 2009 Nghiên cứu đã đánh giá xu thế và diễn biến dòng chảy cả về lượng và chất, cho ta thấy toàn cảnh bức tranh về chế độ dòng chảy cũng như chất lượng nước nhằm đánh giá những biến đổi

do tác động của thiên nhiên cũng như con người vào thiên nhiên

4 “Phương pháp tính toán thiệt hại về kinh tế và môi trường đối với lưu vực sông bị ô nhiễm - trường hợp điển hình: Lưu vực sông Thị Vãi” - Nguyễn Văn

Phước, Nguyễn Thanh Hùng, Bùi Tá Long, Viện Môi trường và Tài nguyên, Đại

học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh - Tạp chí phát triển Khoa học và công nghệ, tập 14, số M1, 2011 Nghiên cứu này đã sử dụng mô hình Mike 11 và Mike 21 để tính toán thiệt hại về kinh tế và môi trường đối với một lưu vực sông bị ô nhiễm và

áp dụng thực tế với lưu vực sông Thị Vãi

, trong chương này tác giả đã

Theo các báo cáo kết quả phân tích “Quan trắc hiện trạng môi trường” trong

Tường đến xã Quất Lưu, huyện Bình Xuyên có một số thông số lý - hoá - sinh vượt quá quy chuẩn cho phép và nguồn nước đã bị ô nhiễm do dòng sông tiếp nhận nước thải sinh hoạt, nước thải chăn nuôi từ khu dân cư đông đúc Bên cạnh việc dòng sông Phan đi qua khu vực này đang ngày càng bị bức tử bởi ô nhiễm thì sự ảnh hưởng cũng như sự tác động của chất lượng nước sông Phan tới đời sống và sự phát triển kinh tế của toàn vùng là vô cùng to lớn

làm khu vực trọng tâm nghiên cứu, đánh giá dự báo chất lượng nước

an, tỉnh

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHẦN MỀM MIKE 11

CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG PHAN

2.1 Cơ sở lý thuyết của phần mềm Mike 11 [22],[23]

Mike 11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) xây dựng và phát triển trong khoảng 20 năm trở lại đây phát triển, là một gói phần mềm dùng để mô phỏng chế độ thủy lực, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông, trong sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác

Mike 11 là mô hình động lực, một chiều nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản

lý và vận hành cho sông và hệ thống kênh dẫn đơn giản và phức tạp Với môi trường đặc biệt thân thiện với người sử dụng, linh hoạt và tốc độ Mike11 cung cấp một môi trường thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật công trình, tài nguyên nước, quản lý chất lượng nước và các ứng dụng khác

MIKE 11 bao gồm nhiều mô đun có các khả năng và nhiệm vụ khác nhau như:

mô đun mưa dòng chảy (RR), mô đun thuỷ động lực (HD), mô đun tải - khuếch tán (AD), mô đun sinh thái (Ecolab) và một số mô đun khác Trong đó, mô đun thuỷ lực (HD) được coi là phần trung tâm của mô hình, tuy nhiên tuỳ theo mục đích tính toán mà chúng ta kết hợp sử dụng với các mô đun khác một cách hợp lý và khoa học Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng các mô đun HD, AD và Ecolab

Cấu trúc mô hình

Đặc trưng cơ bản của mô hình MIKE 11 là cấu trúc mô-đun tổng hợp với nhiều mô-đun, trong đó mỗi mô đun mô phỏng một hiện tượng liên quan đến hệ thống sông Các mô đun trong bộ MIKE 11:

- Module HD - Thủy động lực học: Phần cốt lõi của MIKE 11, có khả năng:

+ Giải bài toán thủy động lực học Saint-Venant cho kênh hở;

+ Giải bài toán sóng khuyếch tán, sóng động học cho sông, kênh;

+ Giải bài toán Muskingum cho sông, kênh;

+ Tự động hiệu chỉnh cho điều kiện dòng chảy êm, dòng chảy xiết;

+ Mô phỏng hầu hết các loại công trình trên sông

- Mô-đun Mike11- AD: Mô phỏng các hiện tượng phân tán, khuyếch tán và đối

lưu trong sông

- Mô đun Mike 11-WQ: Giải quyết các vấn đề về chất lượng nước khác nhau

như DO, BOD, chu trình N, P, phú dưỡng, kim loại nặng, vi khuẩn coliform, nhiễm mặn, chất diệp lục…

- Mô đun Mike 11- ST nghiên cứu truyền tải bùn cát trong sông bao gồm cả

vận chuyển bùn có và không có cố kết

Khả năng ứng dụng của mô hình

Mô hình Mike 11 với các mô đun HD (thuỷ động lực), AD (tải khuếch tán),

WQ (chất lượng nước), EU (phì dưỡng), ST (truyền tải bùn cát) có khả năng ứng

dụng rộng rãi, giải quyết được hầu hết các bài toán một chiều (1D) trong sông

Các công trình được mô phỏng trong Mike 11

Mike 11 có khả năng mô phỏng các loại công trình sau:

; + Bơm;

;

;

Các ứng dụng liên quan đến mô-đun MIKE 11-HD

Mô đun Mike 11- HD được ứng dụng nhằm giải quyết các bài toán:

+ Dự báo lũ và vận hành hồ chứa;

+ Các phương pháp mô phỏng kiểm soát lũ;

+ Vận hành hệ thống tưới và tiêu thoát bề mặt;

+ Thiết kế các hệ thống kênh dẫn;

+ Nghiên cứu sóng triều và dâng nước do mưa ở sông và cửa sông

Các Input), Output) của mô hình Mike 11

Input

+ Biên trên là quá trình lưu lượng thực đo của các trạm (Q ~ t);

+ Biên dưới là quá trình mực nước thực đo của các trạm (H ~ t);

+ Biên kiểm tra là quá trình lưu lượng hoặc mực nước thực đo của các trạm trong hệ thống;

+ Thành phần hạt bùn cát, kết cấu thành phần hạt (dính hay không dính);

2.1.1 Mô đun thủy lực HD

Mô đun thủy lực được xây dựng trên cơ sở hệ phương trình Saint Venant một chiều cho trường hợp dòng không ổn định, gồm hai phương trình sau:

qt

Ax

Q

0 R A 2 C

Q gQ x

h gA A

2 Q x t Q

Trong đó:

- - Q là lưu lượng dòng chảy; - - q là lưu lượng nhập lưu trên một đơn

vị chiều dài dọc sông;

- - A là diện tích mặt cắt ướt; - - h là độ sâu mực nước;

Các điều kiện áp dụng của mô hình MIKE là:

- Nước có khối lượng riêng của nước không đổi;

- Độ dốc đáy nhỏ đủ để cos của góc của đường đáy sông với đường nằm ngang có thể xấp xỉ bằng 1;