ứng dụng mô hình swat mô phỏng chất lượng nước lưu vực sông lá buông, tỉnh đồng nai

Đề tài “Đánh giá khả năng tiếp nhận nguồn thải của hạ lưu sông Lá Buông, tỉnh Đồng Nai” đã sử dụng mô hình thủy động lực học truyền chất MIKE 11 để mô phỏng chất lượng nước khu vực hạ l

MỤC LỤC

TÓM TẮT 1

MỞ ĐẦU 2

1 Tính cấp thiết của ĐATN 2

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Nội dung và phạm vi nghiên cứu 2

3.1 Nội dung nghiên cứu 2

3.2 Phạm vi nghiên cứu 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 5

1.1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 5

1.1.1 Các nghiên cứu ngoài nước 5

1.1.2 Các nghiên cứu trong nước 7

1.2 TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 7

1.2.1 Mô tả khái quát về sông Lá Buông 7

1.2.2 Điều kiện tự nhiên 9

1.2.3 Đặc điểm KT – XH 11

1.2.4 Hiện trạng chất lượng nước tại hạ lưu sông Lá Buông, tỉnh Đồng Nai 12

1.2.5 Kết quả điều tra nguồn thải thuộc khu vực sông Lá Buông 14

1.3 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH 20

1.3.1 Các khái niệm có liên quan 20

1.3.2 Giới thiệu về MIKE 11 22

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31

2.1 PHƯƠNG PHÁP THU THẬP VÀ TỔNG HỢP TÀI LIỆU 31

2.2 PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA 31

2.2.1 Xây dựng mô hình 32

2.2.2 Kiểm định mô hình 33

2.3 PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP BẢN ĐỒ 34

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35

3.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MÔ HÌNH THỦY LỰC HẠ LƯU SÔNG LÁ BUÔNG 35

3.1.1 Dữ liệu hình học 35

3.1.2 Xác định biên vùng tính toán 37

3.1.3 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 40

3.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC HẠ LƯU SÔNG LÁ BUÔNG 40

3.2.1 Dữ liệu biên vùng tính toán 41

3.2.2 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 44

3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC HẠ LƯU SÔNG LÁ BUÔNG THEO CÁC KỊCH BẢN XẢ THẢI 45

3.3.1 Xây dựng kịch bản xả thải 45

3.3.2 Dữ liệu biên nguồn thải của từng kịch bản xả thải cho vùng tính toán 48

3.3.3 Kết quả mô phỏng chất lượng nước 55

3.4 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TIẾP NHẬN NGUỒN THẢI KHU VỰC SÔNG LÁ BUÔNG, TỈNH ĐỒNG NAI 64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Trạm mưa tiêu biểu trong vùng nghiên cứu 9

Bảng 1.2 Lưu lượng và tải lượng ô nhiễm các chất trong nước thải sinh hoạt 15

Bảng 1.3 Lưu lượng và tải lượng ô nhiễm từ hoạt động chăn nuôi 17

Bảng 1.4 Kết quả quan trắc chất lượng nước thải sau xử lý KCN Dầu Giây 18

Bảng 1.5 Kết quả quan trắc chất lượng nước thải sau xử lý KCN Giang Điền 19

Bảng 3.1 Một số đặc trưng chính về mạng lưới sông vùng hạ lưu sông Lá Buông 36

Bảng 3.2 Tổng hợp các số liệu biên cho mô hình thủy lực 37

Bảng 3.3 Dữ liệu biên vùng tính toán 39

Bảng 3.4 Kết quả kiểm định mô hình thủy lực hạ lưu sông Lá Buông 40

Bảng 3.5 Dữ liệu biên chất lượng nước vùng tính toán 41

Bảng 3.6 Nồng độ các chất ô nhiễm sử dụng làm biên nguồn thải cho mô hình 43

Bảng 3.7 Hệ số phát sinh chất thải ô nhiễm bình quân trên đầu người 46

Bảng 3.8 Hệ số phát sinh chất thải ô nhiễm từng loại vật nuôi 46

Bảng 3.9 Tải lượng ô nhiễm theo nguồn thải KB1 46

Bảng 3.10 Tải lượng ô nhiễm theo nguồn thải KB2 48

Bảng 3.11 Tải lượng ô nhiễm theo nguồn thải KB3 48

Bảng 3.12 Nồng độ chất ô nhiễm kịch bản 1 49

Bảng 3.13 Nồng độ chất ô nhiễm kịch bản 2 51

Bảng 3.14 Nồng độ chất ô nhiễm kịch bản 3 53

Bảng 3.15 Khả năng tiếp nhận nguồn thải của các tiểu lưu vực đối với KB2 65

Bảng 3.16 Khả năng tiếp nhận nguồn thải đối với KB2 67

Bảng 3.17 Khả năng tiếp nhận nguồn thải của các tiểu lưu vực đối với KB3 68

Bảng 3.18 Khả năng tiếp nhận nguồn thải đối với KB3 69

Bảng 3.19 Khả năng tiếp nhận nguồn thải của lưu vực sông Lá Buông 70

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Sơ đồ các bước nghiên cứu 4

Hình 1.1 Sơ đồ vị trí các điểm quan trắc 12

Hình 1.2 Hàm lượng NO3- trong nước sông Lá Buông theo mùa 12

Hình 1.3 Hàm lượng NH4+ trong nước sông Lá Buông 13

Hình 1.4 Sơ đồ sai phân ẩn 6 điểm trung tâm 24

Hình 1.5 Diễn biến lưu lượng và mực nước dọc theo chiều dài sông và theo 25

thời gian 25

Hình 1.6 Sơ đồ sai phân hóa phương trình liên tục 25

Hình 2.1 Tiến trình thực hiện mô phỏng thủy lực, chất lượng nước MIKE 11 32

Hình 3.1 Sơ đồ thể hiện các biên đầu vào của mô hình 35

Hình 3.2 Mạng lưới sông được dùng để mô phỏng trong mô hình MIKE 11 36

Hình 3.3 Sơ đồ mặt cắt hạ lưu sông Lá Buông và các kênh rạch 37

Hình 3.4 Số liệu biên lưu lượng quan trắc theo giờ 38

Hình 3.5 Số liệu biên mực nước khu vực hợp lưu Lá Buông – Đồng Nai 38

Hình 3.6 Sơ đồ vị trí các điểm biên thủy lực vùng tính toán 39

Hình 3.7 Kết quả kiểm định mực nước thực đo và mô phỏng 40

Hình 3.8 Sơ đồ vị trí các biên chất lượng nước trong vùng tính toán 42

Hình 3.9 Biên chất lượng nước được sử dụng trong vùng tính toán 44

Hình 3.10 Kết quả kiểm định nồng độ chất ô nhiễm thực đo và mô phỏng 44

Hình 3.11 Kết quả mô phỏng chất lượng nước theo thông số NO3- đối với KB1 56

Hình 3.12 Kết quả mô phỏnng NO3- trung bình trong KB1 57

Hình 3.13 Kết quả mô phỏng chất lượng nước theo thông số NH4+ đối với KB1 57

Hình 3.14 Kết quả mô phỏng NH4+ trung bình trong KB1 58

Hình 3.15 Kết quả mô phỏng chất lượng nước theo thông số NO3- đối với KB2 59

Hình 3.16 Kết quả mô phỏng NO3- trung bình trong KB2 59

Hình 3.17 Kết quả mô phỏng chất lượng nước theo thông số NH4+ đối với KB2 60

Hình 3.18 Kết quả mô phỏng NH4+ trung bình trong KB2 61

Hình 3.19 Kết quả mô phỏng chất lượng nước theo thông số NO3- đối với KB3 62

Hình 3.20 Kết quả mô phỏng NO3- trung bình trong KB3 62

Hình 3.21 Kết quả mô phỏng chất lượng nước theo thông số NH4+ đối với KB3 63

Hình 3.22 Kết quả NH4+ trung bình trong KB3 63 Hình 3.23 Kết quả mô phỏng NO3- trung bình qua 3 kịch bản 64 Hình 3.24 Kết quả mô phỏng NH4+ trung bình qua 3 kịch bản 65

TÓM TẮT

Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường đang là chủ đề nóng trên các mặt báo và nhận được rất nhiều sự quan tâm của người dân Trong đó, đặc biệt là vấn đề ô nhiễm nguồc nước ở Việt Nam đã và đang ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn Đây là vấn đề cấp bách cần được đánh giá và đưa ra các giải pháp quản lý nâng cao chất lượng nước

Đề tài “Đánh giá khả năng tiếp nhận nguồn thải của hạ lưu sông Lá Buông, tỉnh Đồng Nai” đã sử dụng mô hình thủy động lực học truyền chất MIKE 11 để mô phỏng chất lượng nước khu vực hạ lưu sông Lá Buông, tỉnh Đồng Nai qua hai thông số nhằm

mô phỏng chất lượng nước và đánh giá khả năng tiếp nhận nguồn thải tại khu vực nghiên cứu qua các kịch bản xả thải được xây dựng dựa trên quy hoạch phát triển kinh tế và xã hội tỉnh Đồng Nai

Kết quả đạt được là đã xây dựng được bộ dữ liệu biên thủy lực và biên chất lượng phù hợp với hai thông số amoni và nitrat cho lưu vực hạ lưu sông Lá Buông Kết quả phần nào đánh giá được chất lượng nước lưu vực hạ lưu sông Lá Buông và đánh giá được khả năng tiếp nhận nguồn thải của từng tiểu lưu vực sông của hai thông số trên

Từ kết quả của đề tài có thể làm cơ sở tiền đề cho các giải pháp quản lý sau này

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của ĐATN

Hệ thống sông Sài Gòn – Đồng Nai là một hệ thống sông lớn thứ 2 tại miền Nam sau hệ thống sông MêKông Hệ thống sông Sài Gòn – Đồng Nai đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển kinh tế – xã hội của cả nước, đặc biệt là đối với vùng kinh tế trọng điểm phía Nam Đây không chỉ là nguồn nước cung cấp cho sinh hoạt của dân cư mà đây còn là nguồn nước cung cấp cho tưới tiêu, công nghiệp, nông nghiệp, v.v cho các tỉnh trong lưu vực

Lưu vực sông Lá Buông là một trong những phụ lưu quan trọng của sông Đồng Nai Lưu vực sông Lá Buông là nguồn tài nguyên nước rất quan trọng phục vụ cho mục đích tưới tiêu, nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt của người dân tại tỉnh Đồng Nai

và một số vùng lân cận Dòng chính của sông có chiều dài từ nguồn đến cửa sông là 52

km, chảy theo hướng cơ bản từ Đông sang Tây, với diện tích lưu vực: khoảng 264 km2, lượng mưa phong phú, trung bình 1800 mm/năm, hàng năm cung cấp cho sông Đồng Nai một lượng nước: 0,23 x 109 m3

Theo kết quả điều tra nguồn thải tại 26 xã thuộc lưu vực sông Lá Buông cho thấy nhóm nguồn thải gây ô nhiễm chính đối với mô trường nước mặt lưu vực sông chủ yếu

là nguồn thải từ hoạt động chăn nuôi, sinh hoạt và hoạt động công nghiệp Các nguồn thải này chủ yếu thải môi trường đa số chưa được qua các quá trình xử lý nào

Việc tiếp nhận một lượng lớn nước thải chưa qua xử lý vượt quá khả năng tải của sông là nguyên nhân làm nguồn nước sông bị suy giảm về chất lượng

Từ các lý do trên việc thực hiện đề tài: “Đánh giá khả năng tiếp nhận nguồn

thải của hạ lưu sông Lá Buông, tỉnh Đồng Nai” là cấp thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

Ứng dụng mô hình MIKE 11 đánh giá khả năng tiếp nhận nguồn thải của hạ lưu sông Lá Buông, tỉnh Đồng Nai

3 Nội dung và phạm vi nghiên cứu

3.1 Nội dung nghiên cứu

 Tổng quan về khu vực nghiên cứu: điều kiện tự nhiên, KT – XH có ảnh hưởng đến chất lượng nước lưu vực sông Lá Buông

 Thu thập, tổng hợp các dữ liệu đầu vào cho mô hình MIKE 11:

o Mạng lưới kênh rạch khu vực hạ lưu sông Lá Buông;

o Mắt cắt ngang của hạ lưu sông Lá Buông;

o Điều kiện ban đầu và biên: lưu lượng và mực nước hạ lưu sông Lá Buông;

o Kết quả chất lượng nước hạ lưu sông Lá Buông

o Các hệ số đầu vào cho mô hình: hệ số lực cản đáy, hệ số phân tán, hệ số phân hủy của từng thông số chất lượng nước

 Chạy mô hình MIKE 11 mô phỏng thủy lực và chất lượng nước khu vực nghiên cứu

 Kiểm định mô hình: so sánh kết quả chạy mô hình với kết quả quan trắc chất

lượng nước được kế thừa từ đề tài thí điểm: “Đánh giá sức chịu tải của tiểu lưu vực sông Lá Buông thuộc sông nội tỉnh Đồng Nai đến năm 2020 và định hướng đến năm 2025”, Trung tâm Quản lý nước và Biến đổi khí hậu, Đại học Quốc gia

Tp.HCM phối hợp với Trung tâm Quan trắc Môi trường tỉnh Đồng Nai thực hiện năm 2017

 Chạy mô hình MIKE 11 dựa trên các kịch bản xả thải và đánh giá khả năng tiếp nhận nguồn thải của hạ lưu sông Lá Buông

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu đánh giá khả tiếp nhận nguồn thải qua các thông số amoni và nitrat trên phạm vi hạ lưu sông Lá Buông – sông nội tỉnh Đồng Nai, phần hạ lưu sông Lá Buông đoạn từ cầu An Viễn - thuộc địa bàn ấp An Viễn, xã Bình An, huyện Long Thành – chảy qua hai huyện là huyện Long Thành và huyện Trảng Bom, kết thúc tại cửa sông

đổ ra sông Đồng Nai

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện theo tiến trình thể hiện ở sơ đồ dưới đây:

Hình 1 Sơ đồ các bước nghiên cứu

Nghiên cứu thực hiện dựa trên các phương pháp: (i) phương pháp thu thập và

tổng hợp tài liệu, (ii) phương pháp mô hình hóa và (iii) phương pháp thành lập bản đồ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Trong những năm gần đây, với sự phát triển của công nghệ thông tin cũng như khoa học kỹ thuật, các mô hình toán được ứng dụng trong lĩnh vực mô phỏng đặc tính thủy lực chất lượng nước ngày càng phổ biến và phát triển như: HEC-RAS, VRSAP và ISIS Bên cạnh đó việc ứng dụng mô hình MIKE để mô phỏng thủy lực và chất lượng nước các lưu vực, tiểu lưu vực nhằm phục vụ cho công tác quản lý cũng khá phổ biến

1.1.1 Các nghiên cứu ngoài nước

 Đề tài: “Mô hình thủy động lực cho vùng hạ lưu sông Rideau” của tác giả Ferdous

Ahmed (2010) đã áp dụng mô hình thủy động lực học cho hệ thống hạ lưu sông Rideau với mô hình Mike 11 của DHI Hệ thống sông này phức tạp, bao gồm nhiều nhánh sông, các khu vực thoát nước cục bộ và nhiều kiểu quản lý dòng nước Mô hình được hiệu chỉnh với số liệu đo đạc dòng chảy trong vòng 5 năm

và được kiểm nghiệm với số liệu của 5 năm tiếp theo Trong đề tài này tác giả đã

áp dụng nhiều phương pháp để đánh giá độ chính xác của mô hình và nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng mô hình có thể mô phỏng tương đối chính xác thủy động lực học của dòng sông trong khoảng thời gian khác nhau Mô hình này hiện được áp dụng với nhiều mục tiêu quản lý thủy vực khác nhau, bao gồm dự báo lũ, đánh giá sự an toàn của đập nước, định lượng chức năng của đất ngập nước

 Đề tài: “Application of a hydrodynamic MIKE 11 model for the euphrates river

in IRAQ”, nghiên cứu của A.H.Kamel đã sử dụng mô hình thủy lực dòng chảy

không ổn định một chiều – MIKE 11 để nghiên cứu mô phỏng khả năng khuếch tán của các thông số chất lượng nước LVS Euphrates ở Iraq Ngoài ra, nghiên cứu còn cho thấy được mô hình MIKE 11 cung cấp một mô phỏng tốt hơn mô hình Uray khi so sánh các ước tính, quan sát trong giai đoạn thủy văn

 Đề tài: “Assessment of assimilative capacity of Kanhan river stretch using MIKE

11 modeling tool” nghiên cứu của Gedam VV và cộng sự đã áp dụng mô hình

MIKE 11 để đánh giá khả năng tự làm sạch và dự đoán tải trọng chất thải của đoạn sông Kanhan Mô hình nghiên cứu cung cấp thông tin quan trọng và cái

nhìn sâu sắc hơn về tác động đến chất lượng nước của sông Kanhan từ các điểm

ô nhiễm và điểm không ô nhiễm dựa trên các mô hình mô phỏng các thông số

DO, BOD với các trường dữ liệu liên tục và các thông số mô hình

 Đề tài: “MIKE11 and interactive decision maps: joint application in DSS for water quality planning, in:3d DHI Software Conference, Danish Hydraulic Institute, Helsingor, Denmarke” nghiên cứu của Lotov A và công sự, đã giới

thiệu một cách để phát triển các hệ thống hỗ trợ quyết định việc thành lập kế hoạch chất lượng nước tại các sông Ứng dụng mô hình MIKE 11 để đánh giá,

mô phỏng các chiến lược nhất định và sử dụng các công cụ đồ họa mới (Interactive Decision Maps / Feasible Goals Method (IDM/FGM)) cho việc tìm kiếm các chiến lược thông minh DSS dựa trên sự kết hợp của IDM MIKE 11 và / FGM được hiệu chỉnh trên các mô hình thủy động lực và mô hình tải – khuyếch tán của sông Oka, được sử dụng trong khuôn khổ chương trình “Sự hồi sinh của sông Volga” liên bang Nga

 Đề tài: “Validation of MIKE 11 model simulated data for biochemical and chemical oxygen demands transport, American Journal of Applied Sciences”

Nghiên cứu của Eisakhani M và cộng sự với mục tiêu là mô hình sự thay đổi nhu cầu oxy hóa hóa học và sinh học (COD và BOD) tại mỗi mặt cắt ngang của sông Bertam ở cao nguyên Cameron, Malaysia Do hoạt động du lịch, khai thác ngày càng tăng của nông nhiệp trồng rau, hoa, quả và phải chịu lượng mưa xối xả Tình trạng của sông Bertam đã xuống cấp, có dấu hiệu ô nhiễm nguồn nước và môi trường sông Do đó, MIKE 11 đã được áp dụng để mô phỏng thủy động lực học,

mô hình vận chuyển dòng chảy của sông Quá trình mô phỏng cho kết quả chất lượng nước thấy nồng độ BOD5 thay đổi từ 1 – 2 mg/l trong thời gian trước gió mùa và 4 – 10 mg/l trong hậu gió mùa COD nằm ở 39 – 49 mg/l được quan sát

ở dòng nước cao Có nồng độ thấp hơn nhiều là ở dòng nước trung bình có giá trị 10 – 14 mg/l So sánh giữa dữ liệu đo và mô phỏng cho thấy MIKE 11 có thể

dự đoán đầy đủ, chính xác BOD và tải COD tại các cửa lưu vực đặc biệt là trong dòng nước trung bình

1.1.2 Các nghiên cứu trong nước

 Đề tài: “Ứng dụng MIKE 11 đánh giá chất lượng nước lưu vực sông Đồng Nai”

của tác giả Nguyễn Huy Khôi thuộc Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam thực hiện theo Dự án nâng cao năng lực ngành nước do DANINA tài trợ (2009) Nghiên cứu đã sử dụng mô hình toán MIKE 11 để mô phỏng hiện trạng dựa trên

số liệu năm 2003 và đánh giá diễn biến chất lượng nước qua nhiều kịch bản khác nhau (gồm 12 phương án từ năm 2010 đến năm 2020) Qua đó cho thấy mô hình toán là công cụ hữu hiệu trong việc đánh giá xu thế và diễn biến dòng chảy về cả lượng và chất

 Đề tài: “Ứng dụng MIKE 11 tính toán thủy lực, chất lượng nước cho lưu vực sông Sài Gòn – Đồng Nai” của tác giả Trần Hồng Thái (2007) Trong nghiên cứu này,

phương pháp mô hình toán MIKE 11 đã được sử dụng trong việc mô phỏng chế

độ thủy văn , thủy lực và chất lượng nước hệ thống sông Sài Gòn – Đồng Nai Qua kết quả mô phỏng, tác giả nhận xét mô hình mô phỏng thủy lực, thủy văn và chất lượng nước bằng MIKE 11 khá tốt, cho thấy khả năng ứng dụng hiệu quả của mô hình

Ngoài ra trong đề tài “Nghiên cứu đánh giá khả năng chịu tải và đề xuất các giải pháp bảo vệ sông Vàm Cỏ Đông – đoạn chảy qua huyện Bến Lức, tỉnh Long An” của tác giả Nguyễn Minh Lâm (2012), đã đưa ra cách nhìn mới về phương pháp tính toán sức chịu tải bằng việc ứng dụng chỉ số chất lượng nước WQI và phần mềm Mike 11 để đánh giá và đưa ra dự báo cụ thể về diễn biến chất lượng nước và khả năng chịu tải của sông Vàm Cỏ Đông đến 2020 Từ đó, làm cơ sở phân vùng chất lượng nước phục vụ quản lý: (i) kiểm soát các nguồn thải; (ii) cấp phép xả thải trên sông; (iii) phục vụ cho quy hoạch tiếp nhận các ngành nghề đầu tư vào địa bàn huyện Bến Lức, định hướng di dời một số ngành nghề ô nhiễm nặng dọc theo sông Vàm Cỏ Đông vào các vị trí khác phù hợp

1.2 TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU

1.2.1 Mô tả khái quát về sông Lá Buông

 Vị trí địa lý

Sông Lá Buông nằm cách TP Hồ Chí Minh khoảng 45km, cách TP Biên Hòa khoảng 17km, cách TP Vũng Tàu khoảng 80km theo hướng dọc theo quốc lộ 51 và nằm cách biển khoảng 50km theo đường chim bay

Sông Lá Buông là sông nội tỉnh Đồng Nai, là một sông nhánh nhỏ nằm trong hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai, có diện tích lưu vực khoảng 478,5 km2 Sông Lá Buông bắt nguồn từ suối Đá Bàn trên cao nguyên An Lộc (Long Khánh) ở độ cao hơn 200 m,

và vùng rừng núi thuộc nông trường Ông Quế

Dòng chính của sông có chiều dài từ nguồn đến cửa sông là 52 km, chảy theo hướng cơ bản từ Đông sang Tây, với diện tích lưu vực: khoảng 264 km2, trải dài trong miền đón gió mùa Tây Nam, lượng mưa phong phú, trung bình 1800 mm/năm, độ dốc bình quân 5,3‰, hàng năm cung cấp cho sông Đồng Nai một lượng nước: 0,23 x 109

m3 Module dòng chảy bình quân năm M = 28,3 l/s/km2 Đặc điểm chung của sông Lá Buông là sông ngoằn ngoèo trên toàn lưu vực Các nhánh sông ở phía thượng lưu có lòng sông nhỏ, hẹp và sâu, đặc biệt là đoạn trung lưu Các nhánh sông ở phía hạ lưu có

độ dốc khá nhỏ và chịu tác động của chế độ triều cũng như chế độ dòng chảy của hạ lưu sông Đồng Nai Dựa vào số liệu mặt cắt sông ta có thể thấy hạ lưu sông Lá Buông có chiều sâu từ 5 – 16m và có chiều rộng từ 1,5 – 200m, sông Lá Buông sâu và rộng dần

từ thượng lưu đến hạ lưu

Tọa độ địa lý

= 10047'23''  10057'47'' Vĩ độ Bắc

= 106050'57''  107014'37'' Kinh độ Đông Lưu vực sông Lá Buông đi qua 4 huyện Thống Nhất, Cẩm Mỹ, Long Thành, Trảng Bom, thị xã Long Khánh và TP Biên Hòa Vị trí lưu vực sông Lá Buông xem ở bản đồ số 1 phụ lục 1

 Vai trò của sông Lá Buông

Sông Lá Buông là một trong nhiều sông suối nội tỉnh Đồng Nai, giữ vai trò quan trọng trong công tác thủy lợi, đảm bảo một lượng nước lớn cho diện tích canh tác cho các huyện mà nó đi qua Cung cấp nước cho các hoạt động sản xuất, chăn nuôi, phục vụ tưới tiêu cho hoạt động phát triển nông nghiệp: trồng lúa, các cây lâu năm, các cây hằng năm,…

1.2.2 Điều kiện tự nhiên

 Đặc điểm khí hậu

Sông Lá Buông nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa cận xích đạo, có khí hậu ôn hòa, ít chịu ảnh hưởng của thiên tai và có hai mùa rõ rệt là mùa nắng và mùa mưa Nhiệt

độ ở mức trung bình từ 25 – 260C, có sự chênh lệch giữa các mùa với nhau khoảng 4 –

50C Lượng mưa trung bình tại khu vực thuộc loại trung bình lớn khoảng 1800mm/năm, chủ yếu tập trung vào các tháng mùa mưa từ tháng VI đến tháng XI, lượng mưa phân

bố khá đều trên lưu vực Nhìn chung, khí hậu tại sông Lá Buông khá thuận lợi để phát triển trồng các cây nhiệt đới, đặc biệt là cây công nghiệp có giá trị xuất khẩu cao như cao su, cà phê, điều,…

 Về nhiệt độ:

Nhiệt độ trung bình năm trên lưu vực khoảng 260C Nhiệt độ trung bình tháng biến thiên ít, tháng có nhiệt độ cao nhất và thấp nhất chênh nhau 40C Nhiệt độ chênh lệch giữa ngày và đêm không quá 100C, mùa khô nhiệt độ dao động nhiều hơn mùa mưa Nhiệt độ trung bình ở vùng hạ lưu cao (Biên Hòa) và thấp dần về phía thượng lưu lưu vực (Xuân Lộc) Hàng năm, nhiệt

độ thấp nhất rơi vào các tháng XII – I và nhiệt độ cao nhất thường rơi vào các tháng IV – V

Tại khu vực sông Lá Buông có các trạm mưa tiêu biểu như: Biên Hòa, Lá Buông, Thống Nhất và Xuân Lộc

Bảng 1.1 Trạm mưa tiêu biểu trong vùng nghiên cứu

so với mùa khô (85,88% và 70 – 75%)

 Bốc hơi giữa các vùng trong lưu vực chênh lệch không nhiều, vùng đồi núi lượng bốc hơi nhỏ và vùng thấp lượng bốc hơi lớn hơn Lượng bốc hơi giữa các tháng trong năm có sự dao động mạnh Do có nền nhiệt độ cao, nắng nhiều, lượng bốc hơi trên lưu vực nhìn chung là khá lớn, đạt trên 1.000 mm Hàng tháng, lượng bốc hơi đạt từ 100 –

160 mm/tháng trong mùa khô và giảm còn 60 – 70 mm/tháng vào mùa mưa

 Đặc điểm thủy văn

Dòng chảy thường xuyên: nhìn chung dòng chảy thường xuyên trên lưu vực khá đồng đều theo không gian Tuy nhiên, dòng chảy bị phân hóa rõ rệt giữa mùa mùa và

mùa lũ Mùa lũ chiếm tổng lượng dòng chảy lớn khoảng 80% tổng lượng dòng chảy năm, bắt đầu từ tháng VI đến tháng XI; còn mùa kiệt chỉ chiếm khoảng 20% tổng lượng dòng chảy năm, bắt đầu từ tháng XII đế cuối tháng V đầu tháng VI năm sau

Dòng chảy kiệt: dòng chảy kiệt trong lưu vực khá lớn khoảng 1m3/s, trong năm dòng chảy kiệt nhất cũng đại trên 0,5m3/s Tuy nhiên, trong những năm trở lại đây, bắt đầu từ năm 2005 dòng chảy kiệt có dấu hiệu suy giảm một cách đáng kể Một trong các nguyên nhân chính làm giảm dòng chảy kiệt ngoài yếu tố không mưa kéo dài thì nguyên nhân có thể là do việc khai thác sử dụng nước ở phía thượng lưu Từ đây có thể đặt ra vấn đề là, dòng chảy trong mùa kiệt trên lưu vực nhỏ và khó có thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng nước ở đây và do vậy việc sử dụng các biện pháp công trình như xây dựng

hồ điều tiết nhằm trữ nước trong mùa mưa sử dụng trong mùa khô là một trong những giải pháp hợp lý đối với việc sử dụng nước trên lưu vực

Dòng chảy lũ: theo các tiêu chuẩn phân mùa thông dụng thì mùa lũ thường xuất hiện sau mùa mưa khoảng một tháng tức là khoảng vào tháng VI – VII và kết thúc khoảng vào tháng XI, hay nói cách khác thì mùa lũ kéo dài khoảng 5 – 6 tháng, mùa lũ đồng thời kết thúc cùng với mùa mưa Dòng chảy lũ bình quân khoảng từ 0,1 – 0,15

m3/s.km2 và đỉnh lũ trung bình vào khoảng 0,8 – 1,2 m3/s.km2

1.2.3 Đặc điểm KT – XH

Lưu vực sông Lá Buông có vị trí nằm gần các trung tâm kinh tế và dân cư lớn như TP Hồ Chí Minh, Biên Hòa, Vũng Tàu,… Ngoài ra trong vùng còn có nhiều khu công nghiệp tập trung nhiều trong Vùng kinh tế trọng điểm phía Nam mà chủ yếu nằm gần hạ lưu như Giang Điền và Dầu Giây

Sự phát triển mạnh mẽ của nông nghiệp, cây công nghiệp trong khu vực dẫn đến việc sử dụng nhiều phân bón, thuốc trừ sâu

Tốc độ đô thị hóa và dân số tăng nhanh trong khu vực đồng nghĩa với việc nước thải thải ra môi trường càng lớn

Lưu vực sông Lá Buông đi qua 26 xã thuộc 5 huyện gồm huyện Trảng Bom, Thống Nhất, Long Thành, Long Khánh, Cẩm Mỹ và Tp.Biên Hòa Lưu vực sông Lá Buông cũng là nơi trực tiếp tiếp nhận nước thải từ các xã này Các nguồn thải gây ô nhiễm chính đối với môi trường nước mặt tại lưu vực sông Buông được nhận diện chủ yếu bao gồm các nguồn thải từ hoạt động công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt và y tế

1.2.4 Hiện trạng chất lượng nước tại hạ lưu sông Lá Buông, tỉnh Đồng Nai

Theo kết quả quan trắc của trung tâm Quan trắc và Kỹ thuật Môi trường tỉnh Đồng Nai quan trắc chất lượng nước lưu vực sông Lá Buông thì tại hạ lưu có 3 vị trí quan trắc như: cầu trong KCN Giang Điền – xã Giang Điền (QTSB - 03), ấp Miếu (Cầu Sông Buông) – xã Phước Tân (QTSB - 04), và cách hợp lưu sông Đồng Nai 500m (QTSB - 05) Vị trí các điểm quan trắc được thể hiện ở sơ đồ sau:

Hình 1.1 Sơ đồ vị trí các điểm quan trắc

Qua kết quả quan trắc có thể thấy chất lượng nước lưu vực sông Lá Buông đang

có nguy cơ bị ô nhiễm hữu cơ

 Nồng độ Nitrat (NO 3 - )

Hình 1.2 Hàm lượng NO 3 - trong nước sông Lá Buông theo mùa

0 1 2 3 4 5 6

Nồng độ nitrat trong nước hạ lưu sông Lá Buông vào mùa khô nằm trong khoảng 0,68 – 3,175 mg/l và mùa mưa nằm trong khoảng 1,895 – 4,905 mg/l Trong đó, hàm lượng nitrat thay đổi giữa mùa khô và mùa mưa không đáng kể Hàm lượng nitrat vào mùa khô thấp hơn mùa mưa có thể vì vào mùa mưa lưu lượng dòng chảy lớn, kéo theo các chất ô nhiễm từ thượng nguồn làm cho hàm lượng nitrat tăng cao

So với QCVN 08-MT:2015/BTNMT ta thấy hầu hết tại tất cả các điểm quan trắc đều đạt quy chuẩn nồng độ nitrat trong nước theo cột A2 (≤5mg/l) Tuy nhiên theo kết quả quan trắc thì nếu vẫn tiếp tục xả thải với lưu lượng và nồng độ hiện tại nước sông

Lá Buông có nguy cơ bị ô nhiễm nitrat

Hàm lượng nitrat trong nước sông có thể do các nguồn thải từ hoạt sinh hoạt, chăn nuôi và từ các KCN đang sinh sống và hoạt động xung quang lưu vực sông Lá Buông

 Hàm lượng amoni (NH 4 + )

Hình 1.3 Hàm lượng NH 4 + trong nước sông Lá Buông

Nồng độ amoni trong nước tại hạ lưu sông Lá Buông vào mùa mưa dao động trong khoảng 0,215 – 6,975 mg/l và vào mùa khô khoảng 0,215 – 1,-815 Tại vị trí QTSB – 04 có sự khác biệt lớn giữa mùa mưa và mùa khô, sự khác biệt này có thể là do vào mùa mưa lưu lượng dòng chảy lớn và kéo theo các chất ô nhiễm từ thượng nguồn

Theo kết quả quan trắc ta có thể thấy hầu hết tại các vị trí quan trắc khu vực hạ lưu sông Lá Buông nồng độ amoni trong nước đều vượt quy chuẩn cho phép cột B1 (≤0,9 mg/l) QCVN 08-MT:2015/BTNMT, riêng tại vị trí QTSB – 05 có thể do ảnh

0 1 2 3 4 5 6 7 8

hưởng của quá trình pha loãng bởi nước sông Đồng Nai nên hàm lượng amoni trong nước sông khá thấp so với quy chuẩn

1.2.5 Kết quả điều tra nguồn thải thuộc khu vực sông Lá Buông

Theo kết quả điều tra nguồn thải từ Trung tâm Quan trắc và Kỹ thuật Môi trường tỉnh Đồng Nai thì các nguồn thải gây ô nhiễm chủ yếu đến lưu vực sông Lá Buông gồm các nguồn thải từ sinh hoạt, chăn nuôi và nguồn thải từ hoạt động công nghiệp

a Nguồn thải từ hoạt động sinh hoạt

Đây là một trong những nguồn thải cơ bản nhất gây nên tình trạng ô nhiễm môi trường nước, đặc biệt là ô nhiễm hữu cơ, dinh dưỡng, ô nhiễm do dầu mỡ và vi sinh

Nước thải sinh hoạt chiếm trên 50% tổng lượng nước thải trực tiếp ra các sông, suối và ra sông Lá Buông Theo số liệu điều tra thực tế cho thấy khu vực trung lưu và

hạ lưu của sông là 2 vùng tập trung nhiều lượng nước thải sinh hoạt xả thải trực tiếp

Tải lượng ô nhiễm từ nguồn sinh hoạt được ước tính dựa vào hệ số phát thải ô nhiễm bình quân trên đầu người của WHO và dân số trên khu vực nghiên cứu theo công thức:

L j = p x e j x 10 -3 (1.1)

Trong đó:

Lj: Tải lượng thải thứ j của nước thải sinh hoạt (kg/ngày) ej: hệ số phát thải chất ô nhiễm bình quân trên đầu người (g/người/ngày) p: dân số trên khu vực nghiên cứu (người)

Hệ số phát sinh chất thải được tính theo WHO, trong đó phần trăm tải lượng ô nhiễm nitrat chiếm 22% và amoni chiếm 9% trên tổng tải lượng ô nhiễm nitơ

Hầu hết nước thải sinh hoạt ở các địa phương đều chưa được xử lý, trực tiếp đổ vào các kênh mương và chảy thẳng ra sông Lá Buông gây ra ô nhiễm môi trường nước mặt Hiện nay, khu vực chưa có hệ thống xử lý nước thải tập trung; nước thải sinh hoạt của các hộ gia đình chủ yếu được xử lý sơ bộ qua bể tự hoại và thoát ra hệ thống thoát nước chung, do đó nguồn nước chủ yếu bị ô nhiễm do các chất hữu cơ và chất dinh dưỡng cùng với các loại vi khuẩn gây bệnh.Tải lượng ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt tại khu vực được thể hiện ở bảng sau:

Bảng 1.2 Lưu lượng và tải lượng ô nhiễm các chất trong nước thải sinh hoạt

STT Khu vực Xã TẢI LƯỢNG Ô NHIỄM (kg/năm)

Nguồn: Trung tâm Quan trắc và Kỹ thuật Môi trường tỉnh Đồng Nai, 2017

b Nguồn thải từ hoạt động chăn nuôi

Một trong những nguyên nhân quan trọng gây ô nhiễm chất lượng nguồn nước mặt đó là nguồn thải từ hoạt động chăn nuôi Do hoạt động này thường nằm đan xen trong khu dân cư (phần lớn là tự phát), đồng thời việc xử lý chất thải chăn nuôi, chất thải lò mổ, lại là một yếu tố chưa được quản lý chặt chẽ và thải trực tiếp hoặc xử lý không đạt quy chuẩn ra ngoài môi trường làm gia tăng hàm lượng các chất ô nhiễm

Nước thải chăn nuôi chiếm trên 30% tổng lượng nước thải trực tiếp ra các sông, suối và ra sông Lá Buông Theo số liệu điều tra thực tế cho thấy khu vực thượng lưu và trung lưu của sông, đặc biệt là đoạn gần cuối trung lưu trước đoạn hợp lưu với thác Giang Điền là những vùng tập trung nhiều lượng nước thải chăn nuôi xả thải trực tiếp

Nước thải chăn nuôi gia súc, gia cầm là hỗn hợp phân, nước tiểu và nước rửa chuồng, có khả năng gây ô nhiễm môi trường cao do có chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ (đặc trưng bởi thông số BOD, COD), cặn lơ lửng, chất dinh dưỡng (đặc trưng bởi thông số N tổng, P tổng) và vi sinh vật gây bệnh Đây là loại nước thải có mùi hôi thối, ảnh hưởng đến môi trường không khí, nguồn nước tiếp nhận và sức khỏe con người

Tải lượng hiện trạng ô nhiễm từ hoạt động chăn nuôi được ước tính dựa vào hệ

số phát thải ô nhiễm cho từng loại vật nuôi khác nhau (trâu, bò, heo, gia cầm) của WHO

và số lượng vật nuôi theo công thức:

Trong đó:

Ej: Tải lượng thải thứ j của nước thải (kg/năm) ej: hệ số phát thải chất ô nhiễm thông số j (kg/con/năm) n: số lượng vật nuôi (con)

Bảng 1.3 Lưu lượng và tải lượng ô nhiễm từ hoạt động chăn nuôi

STT Khu vực Xã TẢI LƯỢNG Ô NHIỄM (kg/năm)

Nguồn: Trung tâm Quan trắc và Kỹ thuật Môi trường tỉnh Đồng Nai, 2017

c Nguồn thải từ hoạt động công nghiệp

Hiện tại có 2 KCN xả nước thải ra lưu vực sông Lá Buông là KCN Dầu Giây và KCN Giang Điền với tổng lượng nước thải khoảng 620 m3/ngày đêm, chiếm gần 20%

tải lượng nước thải ra sông (Nguồn: Trung tâm Quan trắc và Kỹ thuật Môi trường tỉnh Đồng Nai, 2017) Theo kết quả quan trắc chất lượng nước định kỳ thì chất lượng nước

thải sau hệ thống xử lý tại 2 khu công nghiệp hầu hết đều đạt QCVN 40:2011/BTNMT (cột A) Kết quả quan trắc chất lượng nước thải sau khi được xử lý của 2 KCN được thải hiện cụ thể ở (Bảng 1.5) và (Bảng 1.6):

Bảng 1.4 Kết quả quan trắc chất lượng nước thải sau xử lý KCN Dầu Giây

vị

Kết quả

QCVN 40:2011/BTNMT cột A (K q =0,9; K f =0,9)

STT Chỉ tiêu Đơn

vị

40:2011/BTNMT cột A (K q =0,9; K f =0,9)

Nguồn: Trung tâm Quan trắc và Kỹ thuật Môi trường, 2017

Bảng 1.5 Kết quả quan trắc chất lượng nước thải sau xử lý KCN Giang Điền

STT Chỉ tiêu Đơn vị

40:2011/BTNMT cột A (K q =0,9;

Dựa trên kết quả tính toán tải lượng ô nhiễm có thể thấy chất lượng nước tại tiểu lưu vực sông Lá Buông bị ô nhiễm chủ yếu do hoạt động sinh hoạt và chăn nuôi Trong

đó tại huyện Trảng Bom, Thống Nhất và Long Thành, tải lượng ô nhiễm từ hoạt động chăn nuôi chiếm tỷ lệ cao hơn so với hoạt động sinh hoạt, nguyên nhân do 2 khu vực này tập trung số lượng lớn các trang trại và hộ chăn nuôi nhỏ lẻ, tuy nhiên việc xử lý chất thải chăn nuôi vẫn chưa đảm bảo các tiêu chuẩn về môi trường Riêng đối với khu vực thành phố Biên Hòa, do đây là nơi có dân số cao nhất tỉnh, đồng thời hiện tại thành phố đang thực hiện chủ trương ngưng hoạt động chăn nuôi gia súc, gia cầm trên địa bàn,

do đó tải lượng ô nhiễm từ hoạt động sinh hoạt chiếm tỷ lệ cao hơn so với hoạt động chăn nuôi

1.3 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH

1.3.1 Các khái niệm có liên quan

Mô hình (Model) là một sơ đồ phản ánh đối tượng, con người dùng sơ đồ đó để

nghiên cứu, thực nhiệm nhằm tìm ra quy luật hoạt động của đối tượng hay nói cách khác

mô hình là đối tượng thay thế của đối tượng gốc để nghiên cứu về đối tượng gốc

Mô hình là loại công cụ được sử dụng rộng rãi trong khoa học Các nhà khoa học trước đây sử dụng rộng rãi các mô hình vật lý để tiến hành các thí nghiệm ngoài hiện trường cũng như trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu các mối quan hệ chính mà người ta quan tâm Ngày nay, do sự phát triển của công nghệ máy tính

và công nghệ thông tin, xu thế phổ biến là làm các thí nghiệm trên máy tính trước khi tiến hành bắt buộc một số thí nghiệm vật lý nhằm kiểm định các kết quả từ máy tính, và do đó mô hình toán được sử dụng rất rộng rãi Do tính phức tạp của môi trường và hệ sinh thái, việc mô hình hoá là bắt buộc để khám phá ra mối liên

hệ giữa các yếu tố và tương tác giữa các yếu tố Chẳng hạn khi xem xét sự ô nhiễm nước sông chịu ảnh hưởng của thuỷ triều Khi thải chất bẩn vào dòng chảy, dưới tác động của thuỷ triều, chất bẩn lan toả đi các hướng khác nhau và cũng giảm dần nồng độ bẩn do quá trình tự làm sạch Để tính toán được phạm vi ảnh hưởng của các nguồn ô nhiễm cũng như nồng độ tại từng thời điểm thì chỉ có mô hình hoá mới giải quyết được (Tô Văn Trường, 2010)

Mô hình môi trường là ngành khoa học cung cấp các công cụ ở dạng hình ảnh,

sơ đồ, biểu đồ, phần mềm, hay sa bàn, … để chuyển các hiểu biết từ các đo đạc thực tế

của một khu vực nghiên cứu thành các lý giải cần thiết cho nhu cầu thông tin và tiên đoán diễn biến của môi trường – sinh thái

Mô hình hóa (Modeling) là thay thế đối tượng gốc bằng một mô hình nhằm thu

nhận các thông tin quan trọng về đối tượng bằng cách tiến hành các thực nghiệm trên

mô hình Lý thuyết xây dựng mô hình và nghiên cứu mô hình để hiểu biết về đối tượng gốc

Mô hình hóa môi trường là ngành khoa học mô phỏng hiện tượng lan truyền chất

ô nhiễm và các dự báo thay đổi môi trường theo không gian và thời gian

Hiệu chỉnh mô hình (calibration) là tiến trình mà trong đó các thông số và biến

số của mô hình được điều chỉnh để kết quả ra của mô hình phù hợp với thực tế quan sát được Do khi phát triển mô hình, chúng ta phải tối giản các hiện tượng vật lý trong tự nhiên để thuận lợi cho người làm thuật toán Điều này sẽ khiến các số liệu nhập vào mô hình có những giá trị không hoàn toàn chắc chắn và kết quả ra sẽ sai biệt với thực tế Hiệu chỉnh là công việc nhằm rút ngắn các khoảng cách sai biệt bằng cách đưa ra các thông số điều chỉnh gọi là thông số mô hình (model parameters)

Kiểm định mô hình là bước tiếp theo sau công việc hiệu chỉnh mô hình nhằm

kiểm tra các thông số mô hình đưa ra có phù hợp với các diễn biến của thực tế hay không (Lê Anh Tuấn, 2008)

Mặt cắt ngang lòng sông tại một vị trí trên sông (mặt cắt ngang) là mặt cắt vuông

góc với hướng dòng chảy tại vị trí đó Bộ phận mặt cắt có nước chảy thường xuyên gọi

là lòng sông, phần mặt cắt ngang chỉ ngập lụt về mùa lũ được gọi là bãi sông Mặt cắt ngang sông có cả lòng sông và bãi sông chỉ có nước chảy qua về mùa lũ được coi là mặt cắt lớn

Hạ lưu là đoạn cuối cùng của sông trước khi đổ ra biển, hồ chứa hoặc con sông

khác Đặc điểm đoạn hạ lưu là độ dốc lòng sông rất nhỏ, nước chảy chậm, bồi nhiều hơn xói, tạo nhiều bãi sông nằm ngang ở giữa lòng sông, hình dạng lòng sông quanh co uốn khúc rất nhiều, lòng sông mở rộng ra nhiều so với đoạn trên

Cửa sông là nơi sông tiếp giáp với biển hoặc hồ hoặc một con sông khác Ở cửa

sông lòng sông mở rộng, lưu tốc nhỏ dần, phù sa lắng đọng tạo thành những tam giác

1.3.2 Giới thiệu về MIKE 11

Mô hình 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, được ứng dụng 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 thân thiện với người sử dụng nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý và vận hành cho sông và hệ thống kênh dẫn đơn giản và phức tạp

MIKE 11 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 quy hoạch

Module mô hình thủy động lực (HD) là một phần trọng tâm của hệ thống lập mô hình MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô-đun bao gồm dự báo lũ, tải khuyếch tán, chất lượng nước và các mô-đun vận chuyển bùn lắng không có cố kết Mô-đun MIKE 11 HD giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và động lượng (momentum), nghĩa là phương trình Saint Venant

 Các ứng dụng liên quan đến module Mike 11 HD bao gồm:

 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

Đặc trưng cơ bản của hệ thống lập mô hình Mike 11 là cấu trúc mô-đun tổng hợp với nhiều loại module được thêm vào mỗi mô phỏng các hiện tượng liên quan đến hệ thống sông

Ngoài các module HD đã mô tả ở trên, Mike bao gồm các module bổ sung đối với:

Module thủy lực trong MIKE 11 mô phỏng động lực cả ở trong sông và cửa sông,

có thể áp dụng cho mạng sông phân nhánh và mạng sông phức tạp Vì mô hình là một chiều nên nó tuân theo các giả thiết rằng điều kiện dòng chảy trên toàn dòng sông là đồng nhất, tuy nhiên những dòng chảy qua đập là vẫn có thể được mô phỏng Sự vận chuyển chất hòa tan trong mô hình cũng được giải quyết bằng phương trình cân bằng khối lượng nhưng MIKE 11 có thêm cả phương trình thủy lực xem xét các yếu tố động lực Module (AD) có thể mô phỏng phản ứng phân hủy bậc nhất của các yếu tố, nhưng

để chi tiết cần sử dụng module chất lượng nước (WQ)(Phan Viết Chính, 2011)

a Điều kiện biên

Hệ phương trình Saint – Venant là hệ phương trình hyperbolic á tuyến tính có hai

họ đường cong đặc trưng Do vậy, số điều kiện cần khảo sát cho mỗi biên là số đặc trưng xuất phát từ biên đi vào giới miền đang xét Tại thời điểm ban đầu t = 0, mỗi điểm trên trục sẽ có hai đường đặc trưng đi vào miền hay hai điều kiện sau: Q(x,0) và Z(x,0)

Khi |u| < V (chế độ chảy êm): xét hai đầu biên của miền tính tại x = 0 và x = L

chỉ có một họ đường đặc trưng đi vào miền tính cho nên tại mỗi đầu biên có một điều kiện Trong thực tế, các bài toán thường cho Q(0,t) hoặc Z(0,t) hoặc thiết lập quan hệ Q(Z) tại x = 0; tương tự với x = L

Khi |u| > V (chế độ chảy xiết), theo chiều dòng chảy thì trên biên thượng lưu có

cả hai họ đặc trưng đi vào miền và tại đó có hai điều kiện Tuy vậy, ta chỉ xét chế độ chảy êm Một số kinh nghiệm cho thấy: tại các đầu biên có thể gán giá trị mực nước cho tất cả các biên nhưng không nên gán lưu lượng tại tất cả các biên Bài toán sẽ hoàn chỉnh hơn nếu tại các biên thượng lưu gán lưu lượng Q, còn các biên hạ lưu nên gán cho mực nước Z

b Cơ sở lý thuyết mô hình toán thủy lực

Module 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:

Phương trình liên tục:

𝜕𝑄

𝜕𝑥 +𝜕𝐴𝜕𝑡 = 𝑞 (1.3) Phương trình động lượng:

Trong đó: Q là lưu lượng (m3/s)

h là mực nước tại thời điểm tính (m)

x là không gian dọc theo dòng chảy (m)

t là thời gian tính toán (s)

Là một hệ hai phương trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến bậc nhất, hệ phương trình có dạng này nói chung không giải được bằng phương pháp giải tích Do đó, người

ta đã giải hệ phương trình này bằng phương pháp số với lược đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn (Abbott-Inoescu)

Hình 1.4 Sơ đồ sai phân ẩn 6 điểm trung tâm

Giải hệ phương trình

Hệ phương trình được giải theo phương pháp sai phân dùng sơ đồ sai phân ẩn 6 điểm của Abbott và Inoescu (1967) Giải hệ phương trình theo phương pháp sai phân hữu hạn 6 điểm sẽ xác định được giá trị lưu lượng, mực nước tại đoạn sông và mặt cắt ngang trong mạng sông tại các thời điểm trong thời gian tính toán

Hình 1.5 Diễn biến lưu lượng và mực nước dọc theo chiều dài sông và theo

thời gian

Xét một đoạn sông dài 2∆x trong thời gian ∆t:

 Phương trình liên tục được sai phân hóa tại bước thời gian n + ½ như sau:

Hình 1.6 Sơ đồ sai phân hóa phương trình liên tục

Từ hệ phương trình Saint – Venant, ta có phương trình viết theo Q và h

𝐴0𝑗+1: Diện tích mặt phân cách giữa 2 điểm lưới j và điểm lưới j + 1

∆2𝑥𝑗: Khoảng cách giữa 2 điểm lưới j – 1 và j + 1 Sai phân hóa phương trình (1.3) tại bước thời gian thứ (n + ½), ta thu được các phương trình sai phân

𝛼𝑗𝑄𝑗−1𝑛+1+ 𝛽𝑗ℎ𝑗𝑛+1+ 𝛾𝑗𝑄𝑗+1𝑛+1 = 𝛿𝑗 (1.10) Với 𝛼, 𝛽, 𝛾 là hàm của b và 𝛿, ngoài ra nó còn phụ thuộc vào giá trị Q và h tại bước thời gian n và giá trị Q tại bước thời gian n + ½

 Phương trình động lượng được sai phân hóa tại bước thời gian ∆𝒕 = n + ½

như sau:

Tương tự với sai phân hóa phương trình liên tục, các phương trình sai phân vào (1.2) ta được một phương trình có dạng

𝛼𝑗ℎ𝑗−1𝑛+1+ 𝛽𝑗𝑄𝑗𝑛+1+ 𝛾𝑗ℎ𝑗+1𝑛+1= 𝛿𝑗 (1.11) Trong đó: 𝛼𝑗 = f(A)

Tính ổn định của phương pháp sai phân hữu hạn để giải hệ phương trình Saint Venant được bảo đảm khi các điều kiện sau được thoả mãn:

o Số liệu địa hình phải tốt, giá trị cho phép tối đa với ∆x (dx – max) được lựa chọn trên cơ sở này

o Bước thời gian ∆t cần thiết đủ nhỏ để điều kiện ổn định Courant được thỏa mãn Tuy nhiên, khi giải hệ phương trình Saint Venant với sơ đồ ẩn thì điều kiện ổn định Courant không nhất thiết phải thoả mãn

i: Độ dốc đáy kênh (slope of channel bed), là góc lập bởi đáy kênh

và đường nằm ngang, được xác định 𝑖 = 𝑠𝑖𝑛𝛼;

A: Diện tích mặt cắt ướt (m2)

c Cơ sở lý thuyết mô hình chất lượng nước

Ngoài module thuỷ lực là phần trung tâm của mô hình làm nhiệm vụ tính toán thuỷ lực, MIKE11 còn cho phép chúng ta giải quyết một số vấn đề thông qua các module khác trong đó có vấn đề chất lượng nước

Trong tính toán (1 chiều) các quá trình chất lượng nước có liên quan đến những phản ứng sinh hoá Ngoài ra, còn có ảnh hưởng của các quá trình thuỷ lực của dòng chảy lên chất lượng nước Do vậy, để giải quyết vấn đề chất lượng nước trong mô hình MIKE11, phải đồng thời sử dụng cả hai module đó là module tải – khuyếch tán (AD) và module sinh thái (Ecolab) Trong những trường hợp tính toán các yếu tố không liên quan đến các phản ứng sinh hoá thì chỉ cần sử dụng module tải – khuyếch tán để tính toán, khi đó các hệ số liên quan đến các phản ứng sinh hoá có trong phương trình tính toán sẽ không được xét đến và module sinh thái (Ecolab) không cần được kích hoạt

 Module truyền tải – khuếch tán (AD)

Được dùng để mô phỏng vận chuyển một chiều của chất huyền phù hoặc hoà tan (phân huỷ) trong các lòng dẫn hở dựa trên phương trình để trữ tích luỹ với giả thiết các chất này được hoà tan trộn lẫn Quá trình này được biểu diễn qua phương trình sau:

Với hệ số phân hủy D được xác định như một hàm của dòng chảy trung bình, được tính theo công thức:

𝐷𝑗𝑛+1 = 𝑎 |𝑄𝑛+

1 2

 Module sinh thái (Ecolab)

Module sinh thái giải quyết khía cạnh chất lượng nước trong sông tại những vùng

bị ảnh hưởng bởi các hoạt động dân sinh, kinh tế Module này luôn đi kèm với module tải – khuyếch tán (AD), điều này có nghĩa là module chất lượng nước giải quyết các quá trình biến đổi sinh học của các hợp chất trong sông còn module tải – khuyếch tán (AD) được dùng để mô phỏng quá trình truyền tải khuyếch tán của các hợp chất đó

Nước là môi trường sống và phát triển của rất nhiều loài động thực vật thuỷ sinh cũng như các vi sinh vật sống trong nước Chúng luôn có sự tương tác qua lại với môi trường Do đó trong môi trường nước xảy ra rất nhiều quá trình trao đổi phức tạp như

sự hô hấp và phân huỷ của các loại động thực vật, quá trình hấp thụ nhiệt Các quá trình

này đều được mô hình hoá và đưa vào module chất lượng nước Chúng ta đã tác động vào các quá trình này thông qua các hệ số hiển thị trong trình duyệt của module chất lượng nước có trong mô hình

Module sinh thái tính toán dựa trên 13 thông số chất lượng nước với 6 cấp độ khác nhau, mô phỏng và biểu diễn những quá trình chuyển hoá giữa các hợp phần liên quan tới các quá trình

o Tính toán lượng oxy hoà tan trong nước (Dissolved Oxygen - DO): bao

gồm các quá trình tương tác với oxy khí quyển trên bề mặt, quá trình hô hấp và quang hợp của sinh vật dưới nước, tiêu thụ oxy trong quá trình chuyển hoá Ammonia thành Nitrate, nhu cầu oxy đáy;

o Tính toán nhu cầu oxy sinh hoá (Biological Oxygen Demand - BOD): có

thể tính toán được các hợp phần BOD riêng rẽ, đó là BOD lơ lửng, BOD dạng hoà tan trong nước và BOD trong lớp bùn đáy Mô hình còn cho phép tính toán các quá trình sinh hoá của BOD là quá trình phân rã BOD

và các quá trình chuyển hoá giữa các hợp phần BOD;

o Tính toán Photpho: mô hình cho phép tính toán hai hợp phần Photpho

riêng biệt là Orthophophate và Particule Phosphorus, các quá trình sinh hoá xảy ra như thu nhận Photpho từ quá trình phân rã BOD, tiêu hao photpho do sinh vật hấp thụ;

o Tính toán Amonia: sinh ra do quá trình phân huỷ BOD, tiêu hao do chuyển

hoá thành Nitrate, do thực vật và vi sinh hấp thụ;

o Tính toán Nitrate: sinh ra do quá trình chuyển hoá từ Ammonia sang

Nitrate (quá trình Nitrate hoá), sút giảm do chuyển hoá thành Nitơ tự do;

o Tính toán Coliform: mô hình có thể tính được Coliform theo hai hợp phần

là Fecol Coliform và Total Coliform Các quá trình biến đổi lượng Coliform do chúng chết đi và nhận các hợp phần Coliform từ các nguồn thải Các giá trị tham số của mô hình chất lượng nước và sinh thái được liệt kê và cho sẵn các giá trị ngưỡng của từng tham số ứng với các mức độ tính toán Điều này đặc biệt có ý nghĩa cho việc hiệu chỉnh mô hình khi

có rất nhiều số lượng thông số

Các lựa chọn để xuất dữ liệu cho phép lấy và kiểm tra các quá trình chuyển hoá giữa các hợp phần tính toán với nhau Với khả năng tính nồng độ cao, mô hình còn cho phép cập nhật các nguồn thải dưới dạng các nguồn điểm hay nguồn đại diện trên từng đoạn sông

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 PHƯƠNG PHÁP THU THẬP VÀ TỔNG HỢP TÀI LIỆU

Kế thừa từ đề tài thí điểm “Đánh giá sức chịu tải của tiểu lưu vực sông Lá Buông thuộc sông nội tỉnh Đồng Nai đến năm 2020 và định hướng đến năm 2025” về mạng

lưới sông và mặt cắt sông khu vực hạ lưu sông Lá Buông

Thu thập số liệu quan trắc chất lược nước năm 2016 – 2017 từ Trung tâm Quan trắc và Kỹ thuật Môi trường tỉnh Đồng Nai về các chỉ tiêu nitrat và amoni

Các số liệu về mực nước, lưu lượng (theo giờ, từ ngày 01/01/2017 - 31/8/2017) cho hiệu chỉnh mô hình và kiểm định mô hình tại vị trí cầu sông Lá Buông và điều kiện biên cho khu vực hạ lưu lưu vực sông Lá Buông được kế thừa từ kết quả quan trắc phục

vụ đề tài thí điểm “Đánh giá sức chịu tải của tiểu lưu vực sông Lá Buông thuộc sông nội tỉnh Đồng Nai đến năm 2020 và định hướng đến năm 2025”

2.2 PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA

Hiện nay có nhiều phương pháp được áp dụng phổ biến để đánh giá khả năng tiếp nhận nguồn thải như phương pháp đánh giá khả năng tiếp nhận nguồn thải dựa trên công thức tính năng lực môi trường (IOM/FAO, 1986 và Bộ Thủy sản – DANIDA/FSPS/SUMA, 2005) được nhóm nghiên cứu Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam áp dụng và phương pháp đánh giá dựa theo thông tư 02/2009/TT-BTNMT Với phương pháp của nhóm Viện Khoa học và Công nghệ phụ thuộc rất lớn vào thể tính của thủy lực, tính chất đặc thù của các vịnh Do đó không phù hợp để áp dụng cho khu vực nghiên cứu Còn với phương pháp đánh giá theo thông tư 02 chưa thể hiện được khả năng tự làm sạch của dòng sông cũng như tính phân bố theo không gian, thời gian của nồng độ các chất trong nước và nguồn thải Do vậy, trong khuôn khổ đề tài, phương pháp đánh giá khả năng tiếp nhận nguồn thải bằng mô hình toán được áp dụng

Phương pháp thực hiện đánh giá khả năng tiếp nhận nguồn thải bằng mô hình MIKE 11 được thực hiện cụ thể qua các bước sau:

 Bước 1: Xây dựng mô hình mô phỏng hiện trạng chất lượng nước (mô hình được kiểm định)

 Bước 2: Xây dựng các kịch bản xả thải

 Bước 3: Chạy mô hình tính toán cho các kịch bản xả thải

 Bước 4: Xuất các kết quả tính toán theo từng kịch bản mô phỏng theo giá trị trung bình, giá trị thấp nhất và giá trị cao nhất

 Bước 5: So sánh kết quả tính của mô hình với QCVN MT:2015/BTNMT

08- Bước 6: Chọn lựa kịch bản có nồng độ nằm trong giới hạn cho phép: Kết quả tính toán cho thấy KB1 có nồng độ NO3- nằm trong giới hạn cho phép

và gần với nồng độ tới hạn nhất (mức A2, QCVN 08-MT:2015/BTNMT)

và cũng có nồng độ NH4+ nằm trong giới hạn cho phép và gần với nồng

 Nhập dữ liệu mặt cắt trên hạ lưu sông Lá Buông đoạn từ thác Giang Điền đến đoạn hợp lưu sông Đồng Nai;

 Nhập điều kiện biên và điều kiện ban đầu của mô hình Điều kiện biên phải thỏa điều kiện sau: những thay đổi bên trong vùng nghiên cứu không ảnh hưởng đến điều kiện biên, ngược lại sự thay đổi của điều kiện biên sẽ ảnh hưởng tới diễn biến bên trong vùng nghiên cứu;

 Hiệu chỉnh mô hình: dựa trên số liệu đầu vào đo đạc được để xác định và hiệu chỉnh hệ số nhám nhằm thu được kết quả tốt nhất

 Xây dựng mô hình mô phỏng chất lượng nước

 Nhập điều kiện biên và điều kiện ban đầu đối với từng chỉ tiêu mô phỏng;

 Nhập tải lượng và lưu lượng của các nguồn xả thải tập trung và phân tán;

 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình

2.2.2 Kiểm định mô hình

Kết quả chạy mô hình được mở xem bằng MIKE view Xuất kết quả chạy mô hình tại các vị trí quan trắc, so sánh kết quả mô hình với số liệu quan trắc bằng Ecxel,

vẽ đồ thị, tính toán hệ số tương quan (R2), hệ số NASH (NSE) để kiểm định lại kết quả

 Hệ số tương quan (R2) được tính theo công thức:

    0.5

1

2 5

0 1

2

1 2

i i

i N

i i

P P O

O

P P O O

 Chỉ số hiệu quả Nash (NSE) được tính theo công thức:

i

i i

O O

P O NSE

1

2 1

2

Giá trị NSE nằm trong khoảng từ -∞ đến 1, với NSE = 1 là giá trị mong ước Giá trị của NSE nằm trong khoảng từ 0 – 1 được xem là chấp nhận được, trong khi đó giá trị NSE < 0 được xem là không chấp nhận

2.3 PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP BẢN ĐỒ

Sử dụng phần mềm Mapinfo 11.0 để biên tập bản đồ vị trí khu vực nghiên cứu tỷ

lệ 1:500.000 và các bản đồ phân bố nguồn thải, bản đồ tải lượng nguồn thải tối đa theo từng kịch bản tỷ lệ 1:200.000

 Đối với bản đồ vị trí khu vực nghiên cứu: biên hội dựa trên bản đồ nền “Bản đồ Địa chất Khoáng sản tỉnh Đồng Nai, tỷ lệ 1:50.000

 Đối với bản đồ phân bố nguồn được trích lược dựa trên bản đồ vị trí khu vực nghiên cứu tỷ lệ 1:50.000 thành tỷ lệ 1:200.000 và được biên tập lại dựa trên dữ liệu tọa độ các điểm nguồn thải, các điểm quan trắc thu thập từ Trung tâm Quan trắc và Kỹ thuật Môi trường tỉnh Đồng Nại

 Và đối với các bản đồ tải lượng nguồn thải tối đa theo từng kịch bản cũng được trích lược dựa trên bản đồ vị trí khu vực nghiên cứu tỷ lệ 1:50.000 thành tỷ lệ 1:200.000 và được biên tập lại dựa trên kết quả tính toán khả năng tiếp nhận nguồn thải từng kịch bản