Luận văn thạc sĩ nghiên cứu đánh giá khả năng chịu tải của sông hàn lưu vực tiếp nhận nước thải trạm xử lý nước thải hòa cường

NGHIÊN C ỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA SÔNG HÀN - LƯUV ỰC TIẾP NHẬN NƯỚC THẢI TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI HÒA CƯỜNG Học viên: Hà Th ị Uyên Thư Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 60.52

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác gi ả luận văn

HÀ THỊ UYÊN THƯ

NGHIÊN C ỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA SÔNG HÀN - LƯU

V ỰC TIẾP NHẬN NƯỚC THẢI TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI HÒA CƯỜNG Học viên: Hà Th ị Uyên Thư Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

Mã số: 60.52.03.20 Khóa: 31 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm t ắt - Công tác cấp phép xả nước thải vào nguồn nước đang được các cấp, các ngành

quan tâm, tuy nhiên rất ít các nghiên cứu thuộc lĩnh vực này và chưa có công trình nghiên cứu đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải trên lưu vực tiếp nhận nước thải của Trạm XLNT Hòa Cường nên việc nghiên cứu ứng dụng mô hình mô phỏng chất lượng nước làm cơ sở cho đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải tại lưu vực này là rất cần thiết Luận văn đã xác định bộ thông số mô hình thực đo (với hệ số phân hủy chất hữu cơ ứng với từng loại mẫu nước khác nhau k d = 0,117÷0,131 ngày-1; hệ số phân tán dọc E x = 167.9 m2/s ứng với đoạn sông nghiên cứu) phục vụ cho quá trình mô phỏng chất lượng nước tại lưu vực tiếp nhận nước thải Trạm XLNT Hòa Cường Các kết quả chạy mô phỏng kịch bản giả định cho thấy độ nhạy của mô hình đối với ảnh hưởng của các yếu tố như hiệu suất xử lý của các trạm xử lý, các yếu tố phát triển kinh tế - xã hội trong tương lai khi sử dụng mô hình toán 1 chiều này để đánh giá khả năng tiếp nhận của nguồn nước tại lưu vực nghiên cứu.

T ừ khóa - đánh giá khả năng tiếp nhận; Sông Hàn; mô hình chất lượng nước; hệ số phân hủy

chất hữu cơ; hệ số phân tán dọc.

RESEARCH ON ASSESSMENT TO THE CAPABILITY OF HAN RIVERS BASIN WATER RECEIPT OF HOA CUONG WASTEWATER TREATMENT

-STATION

Abstract: The licensing of discharge of waste water into water resources is of interest to all

levels and sectors, but very few studies in this area have been conducted and there has not been a study to assess the potential for receiving wastewater in the next basin Receiving wastewater from Hoa Cuong Wastewater Treatment Station, the study on the application of water quality simulation model as a basis for assessment of wastewater receiving capacity in this basin is very necessary The dissertation has defined the set of parameters of the actual model (with the coefficient of decomposition of organic material for different types of water samples k d = 0.117 ÷ 0.131 day-1, the vertical dispersion coefficient Ex = 167.9 m2/ s corresponding to the river section research) for water quality simulation in the catchment area

of wastewater treatment plant Hoa Cuong Wastewater Treatment Station The simulation run results assume that the sensitivity of the model to the influence of factors such as the processing power of the treatment stations, the elements of socio-economic development in the future when Use this one-dimensional mathematical model to assess the acceptability of water resources in the study basin.

Keywords: evaluate capacity of receiving wastewater; Han river; water quality model;

coefficient of decomposed organic matter; vertical dispersion coefficient.

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC HÌNH vi

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

a) Mục tiêu tổng quát 1

b) Mục tiêu cụ thể 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

a) Đối tượng nghiên cứu 2

b) Phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

a) Ý nghĩa khoa học 3

b) Ý nghĩa thực tiễn 3

6 Cấu trúc của luận văn 3

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5

1.1 Nguồn nước 5

1.1.1 Nguồn nước và phân loại nguồn nước 5

1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành nguồn nước 5

1.1.3 Sự xáo trộn và biến đổi của nước thải trong sông 6

1.1.4 Sự chuyển hóa các chất trong dòng chảy 9

1.1.5 Chất lượng nguồn nước và đánh giá chất lượng nguồn nước 13

1.2 Mô hình chất lượng nước 15

1.2.1 Khái niệm 15

1.2.2 Phân loại và phạm vi ứng dụng MHCLN 16

1.2.3 Các phương pháp đánh giá, dự báo chất lượng nước và khả năng tiếp nhận 16

1.2.4 Ứng dụng MHCLN trong đánh giá, dự báo chất lượng nước và khả năng tiếp nhận 17

1.2.5 Phương pháp đánh giá theo bảo toàn khối lượng theo chất ô nhiễm 21

1.2.6 Mô hình toán 1 chiều 24

1.2.7 Mô hình MIKE 28

1.3 Tổng quan về lưu vực sông Vu Gia - Hàn 33

1.3.1 Giới thiệu lưu vực sông Vu Gia - Hàn 33

1.3.2 Các nguồn gây ô nhiễm trên lưu vực sông Vu Gia - Hàn 35

1.3.3 Nguồn thải tại lưu vực nghiên cứu 37

1.3.4 Diễn biến chất lượng nước lưu vực sông Vu Gia - Hàn 39

1.3.5 Đánh giá chung 41

CHƯƠNG II ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 43

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 43

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 44

2.2 Nội dung nghiên cứu 45

2.2.1 Thu thập tài liệu, số liệu liên quan 45

2.2.2 Đánh giá Trạm XLNT Hòa Cường 48

2.2.3 Đánh giá chất lượng nước sông và xác định các thông số cho lưu vực nghiên cứu 49

2.2.4 Thiết lập các mô hình chất lượng nước nghiên cứu 54

2.2.5 Đề xuất dự báo chất lượng nước theo các kịch bản 56

2.3 Phương pháp nghiên cứu 57

2.3.1 Phương pháp thống kê 57

2.3.2 Phương pháp quan trắc và phân tích chất lượng nước 57

2.3.3 Phương pháp mô hình toán học 58

2.3.4 Phương pháp đánh giá 59

CHƯƠNG III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 60

3.1 Đánh giá Trạm XLNT Hòa Cường 60

3.1.1 Hiện trạng Trạm XLNT Hòa Cường 60

3.1.2 Chất lượng nước thải trước và sau khi xử lý của Trạm XLNT Hòa Cường 62

3.1.3 Đánh giá Trạm XLNT Hòa Cường 64

3.2 Đánh giá chất lượng nước sông và kết quả xác định các thông số mô hình cho lưu vực nghiên cứu 65

3.2.1 Đánh giá chất lượng nước sông lưu vực nghiên cứu 65

3.2.3 Kết quả xác định các thông số mô hình chất lượng nước 70

3.4 Kết quả mô phỏng từ các mô hình 72

3.4.1 Kết quả mô phỏng đánh giá khả năng tiếp nhận theo mô hình Thông tư 02:2009/TT-BTNMT 72

3.4.2 Kết quả mô phỏng, đánh giá khả năng tiếp nhận theo mô hình toán 1 chiều 76

3.4.3 So sánh kết quả mô phỏng từ các mô hình 77

3.5 Đề xuất mô phỏng chất lượng nước theo các kịch bản 78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80

1 KẾT LUẬN 80

2 KIẾN NGHỊ 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 PHỤ LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (bản sao)

DHI Viện Thuỷ lực Đan Mạch

DO Oxy hòa tan (Dissolved Oxygen)

HD Thủy động lực (Hydro Dynamic)

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

QCCP Quy chuẩn cho phép

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TNXLNT Thoát nước xử lý nước thải

1.14 Vị trí đường ống xả thải ra sông Hàn của trạm XLNT Hòa Cường 38

2.4 Mặt cắt tại khu vực nghiên cứu trên sông Cẩm Lệ (tại cầu Hòa

2.6 Mẫu nước thải đầu vào và đầu ra của Trạm XLNT Hòa Cường 482.7 Vị trí các điểm lấy mẫu khi sông có dòng chảy tại lưu vực tiếp

2.8 Vị trí các điểm lấy mẫu theo khoảng cách và biên khi sông có dòng

2.9 Mẫu nước sông tại các vị trí theo chiều dọc sông khi có dòng chảy 50

2.11 Vị trí các điểm lấy mẫu khi triều đứng tại lưu vực tiếp nhận 51

2.13 Mẫu nước sông tại các vị trí theo chiều ngang sông khi triều đứng 51

S ố hiệu

2.16 Sơ đồ thiết lập và mô phỏng chất lượng nước theo Thông tư

2.18 Sơ đồ thiết lập và mô phỏng chất lượng nước theo mô hình toán 1

3.1 Kết quả quan trắc pH và độ kiềm trong nước thải 62

3.3 Kết quả quan trắc BOD5và COD trong nước thải 633.4 Kết quả quan trắc Tổng N và NH4+trong nước thải 633.5 Kết quả quan trắc Tổng P và Coliform trong nước thải 63

3.7 Giá trị pH trong nước sông Hàn tại lưu vực tiếp nhận 653.8 Hàm lượng TSS trong nước sông Hàn tại lưu vực tiếp nhận 663.9 Hàm lượng BOD5trong nước sông Hàn tại lưu vực tiếp nhận 663.10 Hàm lượng coliform trong nước sông Hàn tại lưu vực tiếp nhận 663.11 Hàm lượng NO3-trong nước sông Hàn tại lưu vực tiếp nhận 673.12 Hàm lượng NH4+trong nước sông Hàn tại lưu vực tiếp nhận 673.13 Hàm lượng PO43-trong nước sông Hàn tại lưu vực tiếp nhận 673.14 Kết quả quan trắc chất lượng nước sông tại các vị trí khi có dòng

3.15 Kết quả quan trắc chất lượng nước sông tại các vị trí khi triều đứng 693.16 Đồ thị thể hiện tốc độ phân hủy chất hữu cơ theo từng loại mẫu

3.18 Đồ thị thể hiện kết quả tính toán khả năng tiếp nhận tại lưu vực

3.20 Nồng độ BOD5theo khoảng cách x từ nguồn thải về phía hạ lưu

DANH MỤC CÁC BẢNG

S ố hiệu

1.2 Ô nhiễm coliform ở một số vị trí hạ lưu sông Vu Gia - Hàn 402.1 Một số phương pháp sử dụng trong quá trình nghiên cứu 562.2 Một số thiết bị được sử dụng trong quá trình nghiên cứu 57

3.2 Các thông số đánh giá hiệu quả xử lý nước thải theo công nghệ

3.4 Kết quả tính toán hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ 703.5 Các số liệu đầu vào để tính toán theo mô hình 73

MỞ ĐẦU

1 Lý do ch ọn đề tài

Sông Hàn có ý nghĩa rất quan trọng đối với sự phát triển kinh tế - xã hội củathành phố Đà Nẵng, ngoài việc giữ vai trò tạo cảnh quan đô thị, phát triển du lịch đặctrưng cho thành phố, Sông Hàn còn là nơi cung cấp nước quan trọng cho các hoạtđộng sinh hoạt, sản xuất của toàn khu vực

Bên cạnh đó, sông Hàn cũng là nguồn tiếp nhận các nguồn xả thải nhân tạo sinh

ra từ các vùng lân cận phân bố dọc theo dòng sông bao gồm nước thải từ khu xử lý tậptrung, từ các cơ sở kinh doanh, dịch vụ vừa và nhỏ… Trong đó có nước thải sau xử lýcủa Trạm xử lý nước thải Hòa Cường Tuy nhiên, về lâu dài, sông Hàn không có khảnăng chịu đủ tải do các hoạt động phát triển của thành phố trong thời gian đến

Hiện tại, các Trạm xử lý nước thải tập trung của thành phố nói chung và TrạmXLNT Hòa Cường nói riêng đang đứng trước nhiều nguy cơ và thách thức Trongtương lai cùng với sự gia tăng dân số, tốc độ đô thị hóa nhanh sẽ làm cho lượng nướcthải về Trạm XLNT Hòa Cường gia tăng nhanh chóng Bên cạnh đó, chất lượng nướcthải sau xử lý từ Trạm XLNT Hòa Cường xử lý chưa tốt, chưa được quản lý chặt chẽnên khi xả ra lưu vực tiếp nhận còn mùi hôi, nhiều bọt, ít nhiều sẽ gây ô nhiễm đếnchất lượng nước Sông Hàn đặc biệt tại lưu vực tiếp nhận Do đó, rất cần đánh giá khảnăng chịu tải của lưu vực tiếp nhận nước thải

Trong những năm gần đây, Bộ Tài nguyên và Môi trường cũng đã ban hànhThông tư 02/2009/TT-BTNMT Quy định đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải củanguồn nước nhằm hướng dẫn cho cơ sở xin cấp phép xả thải Tuy nhiên, việc đánh giátheo Thông tư này còn chung chung và phải có đủ số liệu thì mới đảm bảo độ tin cậy

để phục vụ cho công tác cấp phép xả thải và quản lý bảo vệ nguồn nước tiếp nhận

Trong khi đó, đã có công trình nghiên cứu ứng dụng Mike đánh giá khả năngtiếp nhận nước thải trên toàn bộ Sông Hàn, tuy nhiên, chưa có công trình cụ thể nàonghiên cứu riêng cho lưu vực tiếp nhận Do đó, việc nghiên cứu và tìm ra phương pháptối ưu để đánh giá khả năng chịu tải tại lưu vực tiếp nhận, làm rõ ảnh hưởng của TrạmXLNT Hòa Cường đến lưu vực tiếp nhận là rất cần thiết trong vấn đề quản lý chấtlượng nguồn nước và giám sát nguồn ô nhiễm theo định hướng phát triển của thànhphố Đà Nẵng - thành phố Môi trường Trên cơ sở đó, tác giả đề xuất đề tài:“Nghiên

c ứu đánh giá khả năng chịu tải của Sông Hàn lưu vực tiếp nhận nước thải Trạm

x ử lý nước thải Hòa Cường” nhằm góp phần xây dựng công cụ hữu hiệu trong việc

đánh giá khả năng chịu tải của lưu vực tiếp nhận

2 M ục tiêu nghiên cứu

a) M ục tiêu tổng quát

- Sử dụng công cụ hiệu quả, phù hợp với công tác đánh giá khả năng chịu tải

và diễn biến chất lượng nước tại các lưu vực tiếp nhận nước thải

- Sử dụng kết quả đánh giá khả năng chịu tải để các cơ quan nhà nước quản lý,giám sát và bảo vệ chất lượng nguồn nước sông Hàn, hướng đến mục tiêu phát triểnbền vững của thành phố Đà Nẵng, xây dựng Đà Nẵng – Thành phố Môi trường.

b) M ục tiêu cụ thể

- Đánh giá hiện tại và dự báo khả năng chịu tải của sông Hàn lưu vực tiếpnhận nước thải sau xử lý Trạm xử lý nước thải Hòa Cường theo các phương pháp khácnhau để có biện pháp quản lý, bảo vệ nguồn nước sông Hàn

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu

- Trạm xử lý nước thải Hòa Cường (công nghệ, công suất, chất lượng nước sau

b) Ph ạm vi nghiên cứu

- Phạm vi không gian: Khu vực nghiên cứu được lựa chọn là Sông Hàn - lưuvực tiếp nhận Trạm xử lý nước thải Hòa Cường (trong phạm vị cách nguồn thải vớibán kính 1km về phía thượng lưu và hạ lưu)

- Khoảng thời gian nghiên cứu: Xem xét đánh giá chất lượng nguồn nước vàkhả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước tại lưu vực nghiên cứu vào mùa khô

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thống kê: thu thập các thông tin tư liệu liên quan đến nội dungcủa đề tài: điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội, hiện trạng chất lượng môi trường nướcmặt, hiện trạng và chất lượng nước Trạm XLNT Hòa Cường; các số liệu thủy văndòng chảy, các loại bản đồ có liên quan, từ các Báo cáo của địa phương, các côngtrình nghiên cứu về sông Hàn trong một số nghiên cứu trước đây

- Phương pháp quan trắc và phân tích: tiến hành lấy mẫu thực tế đánh giá chấtlượng nước tại Trạm XLNT Hòa Cường, tại các vị trí trong phạm vi lưu vực nghiêncứu và phân tích trong phòng thí nghiệm Bên cạnh đó, để có các hệ số áp dụng cho

mô hình cũng cần phải lấy mẫu và phân tích trong phòng thí nghiệm

- Phương pháp mô hình toán học: áp dụng Mô hình toán 1 chiều và mô hìnhtheo Thông tư 02:2009/TT-BTNMT để mô phỏng chất lượng nước mặt khu vựcnghiên cứu, trong đó mô hình theo Thông tư 02:2009/TT-BTNMT tính toán theo địnhluật bảo toàn khối lượng và còn mô hình toán 1 chiều tính toán theo phương trình lantruyền chất ô nhiễm cho dòng chảy sông

- Phương pháp đánh giá: So sánh các chỉ tiêu chất lượng nước với các quychuẩn Việt Nam hiện hành nhằm đánh giá chất lượng nước qua các chỉ tiêu môi

trường Đồng thời so sánh các kết quả mô phỏng từ các mô hình nghiên cứu với nhau

để tìm ra mô hình tối ưu để mô phỏng các kịch bản nhằm đánh giá khả năng tiếp nhậncác chất ô nhiễm trong tương lai

5 Ý ngh ĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

a) Ý ngh ĩa khoa học

Đóng góp sử dụng các phương pháp đánh giá – công cụ hữu ích trong việc đánhgiá khả năng tiếp nhận nước thải của các công trình kinh tế - xã hội đối với nguồn tiếpnhận

Kết quả nghiên cứu đề tài có thể góp phần hỗ trợ xây dựng cơ sở lý luận chocông tác quản lý về tài nguyên nước cụ thể là vấn đề cấp giấy phép xả thải đồng thờiviệc nghiên cứu dự báo chất lượng nước và đánh giá khả năng tiếp nhận dưới sự trợgiúp của mô hình toán 1 chiều để tính toán lan truyền chất ô nhiễm trong dòng chảysông là rất hiệu quả và cần thiết trong công tác quy hoạch KT - XH như hiện nay

b) Ý ngh ĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu của đề tài là nguồn tư liệu tham khảo, góp phần cung cấp

bộ thông số để chạy mô hình chất lượng nước Kết quả của đề tài sẽ cung cấp cho địaphương một công cụ có thể giám sát, đánh giá theo dõi sự thay đổi của nguồn xả thải

có tác động như thế nào đến chất lượng nguồn nước; góp phần phục vụ sự phát triểnbền vững kinh tế-xã hội trên lưu vực

Đây là tài liệu tham khảo cho các công trình nghiên cứu tiếp theo Từ kết quảcủa đề tài, chúng ta có thể áp dụng để nghiên cứu ở những lưu vực có tính chất tươngđồng

6 C ấu trúc của luận văn

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

2 Mục tiêu nghiên cứu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

6 Cấu trúc của luận văn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Nguồn nước

1.2 Mô hình chất lượng nước

1.3 Hiện trạng lưu vực sông Hàn

CHƯƠNG II ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.2 Nội dung nghiên cứu

2.3 Phương pháp nghiên cứu

CHƯƠNG III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU3.1 Kết quả dữ liệu số liệu thu thập được3.2 Đánh giá Trạm XLNT Hòa Cường3.3 Kết quả mô phỏng từ các mô hình3.4 Đề xuất các kịch bản mô hình

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

đá và nước ở các vùng biển và đại dương thế giới

1.1.1.2 Phân loại nguồn nước

- Theo mục đích sử dụng được chia thành các loai nguồn nước: cấp cho sinhhoạt, và các mục đích khác như giải trí, tiếp xúc với nguồn nước và nuôi trồng các loạithuỷ sản

- Theo độ mặn thường theo nồng độ muối trong nguồn nước được chia thànhnước ngọt, nước lợ và nước mặn

- Theo vị trí nguồn nước chia thành các nguồn nước mặt (sông, suối, ao, hồ ),nước ngầm

1.1.2 Các y ếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành nguồn nước

Các yếu tố ảnh hướng đến sự hình thành nguồn nước bao gồm hai nhóm: cácyếu tố tác động trực tiếp, gián tiếp và các yếu tố điều khiển các quá trình hình thànhchất lượng nước diễn ra trong dòng chảy

1.1.2.1 Các yếu tố tác động trực tiếp và gián tiếp

Các yếu tố tác động trực tiếp và gián tiếp bao gồm: Khoáng vật, thổ nhưỡng,sinh vật và con người Các yếu tố này tác động làm cho nồng độ các chất trong nướctăng lên và giảm đi

a) Khoáng vật:

- Quá trình khoáng vật hoá: diễn ra rất phức tạp, phụ thuộc vào đặc điểm củathành phần khoáng vật: nhan thạch hiếu nước, kỵ nước và ngậm nước Các loại muối:NaCl, CaCO3, CaSO4

- Khoáng vật phong hoá: allluminoSilicat (nhôm silic) chiếm phần lớn tronglớn vỏ trái đất phong hoá chuyển vào nước

- Khoáng vật sét: thành phần chính của nhan thạch

b) Thổ nhưỡng (đất trồng)

Khác với thành phần khoáng vật, thổ nhưỡng ngoài các thành phần vô cơ 95%) trong đất trồng còn có các thành phần hữu cơ và hữu cơ khoáng vật Thành phầnhữu cơ có nguồn gốc: sản phẩm phân huỷ gốc động vật, thực vật và sản phẩm của các

(90-quá trình sinh hoá trong đất Sự xâm nhập vào môi trường nước phụ thuộc vào các yếu

tố khí tượng thuỷ văn, địa hình, lượng mưa và cường độ mưa

c) Sinh vật và con người

Các sinh vật có vai trò rất đa dạng và rộng rãi Thực hiện các chu trình sinh -địa

- hoá: điều chỉnh cân bằng sinh thái, tạo năng suất sinh học sơ cấp (tảo, phù du ) vàcác chất hữu cơ ban đầu (vi khuẩn cố định đạm)

Các hoạt động phát triển gây ô nhiễm nguồn nước

1.1.2.2 Các yếu tố điều khiển

Các yếu tố điều khiển bao gồm: khí hậu, địa hình, chế độ thuỷ văn, sự phát triểncủa hệ thực vật thuỷ sinh

Khí h ậu: ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng và nồng độ các chất, nhiệt độ ảnh

hưởng đến các phản ứng hoá học, sinh học

Địa hình: ảnh hưởng gián tiếp đến các quá trình khoáng hoá, xói mòn và rửa

trôi bề mặt

Ch ế độ thuỷ văn: thành phần của nước, nồng độ các chất hoá học trong nước

phụ thuộc vào dòng chảy Chiều dài dòng chảy, diện tích lưu vực

1.1.2.3 Các quá trình hình thành chất lượng nước

Quá trình khuếch tán: là quá trình dịch chuyển các chất hoà tan, phân tán trongnước do ảnh hưởng của gradient nồng độ Tuân thủ theo định luật Fick

Quá trình chuyển khối do khuếch tán đối lưu Vận chuyển (tải các chất trongdòng chảy, sự xáo trộn)

 Các quá trình v ận chuyển các chất vào trong nguồn nước:

Thuỷ phân: phản ứng trao đổi giữa nước và các loại khoáng chất

Hoà tan: phá huỷ cấu trúc mạng tính thể của các loại muối và phân ly thành cácdạng ion

 Các quá trình tách các v ật chất khỏi nguồn nước

Bao gồm các Quá trình lắng: do tỷ trọng, nồng độ vượt giới hạn bảo hoà, quátrình hấp phụ, quá trình keo tụ, các quá trình phản ứng giữa các hợp chất và các quátrình sinh thái chất lượng nước

1.1.3 S ự xáo trộn và biến đổi của nước thải trong sông

Để có cơ sở và căn cứ đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước,trước hết chúng ta cần xem xét các hiện tượng xảy ra khi có một nguồn nước thải đổvào một đoạn sông nào đó Sau khi nước thải được xả vào sông sẽ có đồng thời 2 quátrình xảy ra là:

- Quá trình xáo trộn vật lý giữa nước thải vào nước sông;

- Quá trình khoáng hóa các chất bẩn hữu cơ trong nước sông

1.1.3.1 Sự xáo trộn nước thải theo độ rộng sông

Trên một đoạn sông, có một nguồn nước thải đổ vào tại một bên bờ phải củasông (Hình 1.1) Nếu kể từ điểm xả thì phải đến một khoảng cách nhất định (Ly) nào

đó, nước thải mới có thể hòa trộn với nước sông đạt đến một độ rộng nhất định (Y).Khi độ rộng xáo trộn Y bằng độ rộng Bsônglà lúc nước thải đã xáo trộn trên cả bề rộngsông.

Hình 1.1 Sự xáo trộn của nước thải theo chiều rộng sông

Tuy nhiên, trong thực tế cũng có nhiều trường hợp xảy ra khi nguồn xả có lưulượng nhỏ và sông rộng có lượng lớn thì nước thải chỉ có thể xáo trộn với nước sông

và lan truyền ở một phần của mặt cắt ngang sông và chỉ đạt đến mức tối đa với chiềurộng là Y’

Như vậy, trong trường hợp thứ nhất khi độ rộng xáo trộn Y bằng độ rộng B sông

là lúc nước thải đã xáo trộn trên cả bề rộng sông, thì việc tính toán đánh giá khả năngtiếp nhận nước thải của sông được tính toán cho cả bề rộng sông

Nhưng trong trường hợp thứ hai, phần sông có chiều rộng bên trái là (Bsông-Y’)không tham gia vào việc tiếp nhận nước thải, nên khả năng tiếp nhận nước thải củasông chỉ có thể được tính toán trên chiều rộng là Y’, tức là phần sông bên phải có nướcthải xáo trộn với nước sông

1.1.3.2 Sự xáo trộn của nước thải theo độ sâu sông

Nếu được xả trên mặt và tại giữa sông (Hình 1.2), thì phải đến một khoảng cáchnào đó, nước thải mới có thể hòa trộn với nước sông đạt đến một độ sâu nhất định (Z)

Khi nước thải đã hòa trộn với nước sông ở đáy sông thì có thể coi là nước thải

đã xáo trộn trên toàn bộ chiều sâu của sông

Trong trường hợp nước thải được “xả ngầm”, thì quá trình xáo trộn của nướcthải vào nước sông theo chiều thẳng đứng bao gồm cả hai quá trình xáo trộn từ vị trímiệng ống xả đến mặt nước và xáo trộn từ vị trí miệng ống xả xuống đến đáy sông

Hình 1.2 Sự xáo trộn của nước thải theo chiều sâu và chiều rộng sông

Điểm xả A(x, y, z)

Điểm xả Q xả , C xả

1.1.3.3 Biến đổi nồng độ chất ô nhiễm của nước thải vào nước sông

Khi nước thải hòa trộn với nước sông, nồng độ chất ô nhiễm có trong nước thải(Cxả) sẽ biến đổi theo không gian và thời gian Trên một mặt cắt ngang sông (Hình1.3), trong vùng chịu ảnh hưởng của nước thải, nồng độ chất ô nhiễm là C1, C2; trongvùng chưa bị ảnh hưởng nước thải, nồng độ chất ô nhiễm là C3 (là nồng độ chất ônhiễm có sẵn trong sông, hay Csông)

Hình 1.3 Nồng độ chất ô nhiễm thay đổi theo chiều ngang sông

Nồng độ các chất ô nhiễm thường bị suy giảm theo chiều dọc sông vì một số lý

do như bị phân hủy, biến đổi, lắng đọng Đây chính là quá trình tự làm sạch của sông.Khi nồng độ chất ô nhiễm giảm xuống có nghĩa là khả năng tiếp nhận nước thải củasông tăng lên

Hình 1.4 Nồng độ các chất ô nhiễm suy giảm theo chiều dọc sông

1.1.3.4 Mức độ xáo trộn

Trong thực tế, có một câu hỏi được đặt ra là khi nào thì một chất ô nhiễm cótrong nước thải được coi là đã xáo trộn hòan toàn với nước sông Như vậy, cần phải cótiêu chí nào đó về sự khác biệt của nồng độ chât ô nhiễm để đánh giá mức độ xáo trộn

Các nhà khoa học đã đưa ra một số phương pháp khác nhau để đánh giá mức độxáo trộn Trong số đó, cách đơn giản và tiện lợi nhất là dùng tỷ số giữa sự khác biệt vềnồng độ (C) tại các vị trí khác nhau trên một mặt cắt ngang sông (kể cả theo chiềungang và theo chiều sâu của sông) so với giá trị trung bình của nồng độ chất ô nhiễm(Ctb) trên mặt cắt ngang sông đó Đó là tỷ sốC/Ctb Tác giả đã tổng hợp thông tin từnhiều tài liệu khác nhau và trình bày trong bảng dưới đây các mức độ xáo trộn của chất

ô nhiễm trong sông được đánh giá theo tỷ sốC/Ctb

Q sông v

C sông

Điểm xả Q xả , C xả

Bảng 1.1 Các mức độ xáo trộn chất ô nhiễm trong sông

Giá trị của tỷ số C/Ctb M ức độ xáo trộn

1.1.4 S ự chuyển hóa các chất trong dòng chảy

Sự chuyển hóa các chất trong dòng chảy là tổng hợp các quá trình thuỷ độnghọc, thuỷ hoá, sinh học diễn ra trong nguồn nước Dưới góc độ sinh thái, đây là khảnăng đảm bảo sự tự ổn định của hệ sinh thái khi có tác động từ bên ngoài Quá trìnhchuyển hóa - phân huỷ các chất hữu cơ nhờ các loại vi sinh vật

Sự chuyển hóa các chất trong dòng chảy có liên quan đến tất cả các quá trìnhsinh thái trong hệ sinh thái dòng chảy sông Các quá trình sinh thái, mối quan hệ giữacác quá trình diễn ra trong dòng chảy khi tiếp nhận các chất thải từ các nguồn bênngoài được mô tả hình 1.5

Hình 1.5 Sơ đồ các quá trình chuyển hoá các chất hữu cơ trong dòng chảy

Từ sơ đồ ở hình 1.5 cho thấy sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ dễ phân hủytrong dòng chảy có liên quan đến các quá trình: vật lý, hóa học và sinh học diễn ra

trong dòng chảy Các quá trình phân hủy sinh học, chuyển hóa đều có liên quan đếncác quá trình sinh thái diễn ra trong dòng chảy: sự phát triển của thực vật nước, và cácquá trình có liên quan khác

1.1.4.1 Chu trình nitơ trong nguồn nước và quá trình nitrat hóa

Chu trình tuần hoàn nitơ

Nitơ cùng với phốt pho và các bon là các thành phần dinh dưỡng chủ yếu ảnhhưởng đến sự sản xuất trong thủy vực nước Tồn tại trong nước dưới một số dạng nhưNitơ hữu cơ, nitơ amôn, nitơrit, nitrat Chu trình nitơ trong nước được mô tả tronghình 1.6

Quá trình nitrat hóa

Quá trình amôn hóa các hợp chất hữu cơ có chứa nitơ, như urê CO(NH2)2,nhóm amin do từ các nguồn thải đưa vào dòng chảy được thực hiện bởi các vi sinhvật gây thối rửa theo các phản ứng thủy phân sau

Hình 1.6 Chu trình Nito trong nguồn nước

Các phản ứng đặc trưng cho quá trình này được biểu thị bằng các phương trìnhsau:

somona

Nitro-Khử Nitrat

Thủy phân

Chết

Sự chuyển hóa NH4+ thành NO3- đi kèm với việc tiêu thụ một lượng lớn oxyhòa tan, vì vậy quá trình này có ảnh hưởng đến cân bằng oxy trong dòng chảy.

Trong dòng chảy sông ngoài ra còn một quá trình quan trọng nữa là quá trìnhtương tác trao đổi giữa nitơ trong dòng chảy và nitơ ở trong các lớp bùn đáy

1.1.4.2 Sự phân hủy các chất hữu cơ

Động học của quá trình phân hủy chất hữu cơ

Giả thiết tốc độ phân hủy các chất hữu cơ tuân theo quy luật của phản ứng bậcmột Quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong dòng chảy được mô tả bằng phươngtrình

Trong đó:

k d - Hằng số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ, ngày-1;

L - Nồng độ các chất hữu cơ theo BOD, mg/l.

Hằng số này thay đổi theo thành phần các chất hữu cơ Hằng số có giá trị cànglớn, tốc độ phân hủy càng nhanh

Ảnh hưởng của dòng chảy đến sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ

Trong dòng chảy tự nhiên, sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ phụ thuộc vàochế độ thủy lực của dòng chảy (vận tốc dòng chảy, chế độ xáo trộn khối nước thải vớinước sông) đã có ảnh hưởng của yếu tố dòng chảy đến sự thay đổi nồng độ các chấthữu cơ trong dòng chảy Do các quá trình như: thay đổi nồng độ do sự keo tụ, lắng cácchất hữu cơ dạng phân tán nhỏ

Sơ đồ khối mô hình sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ theo BOD trong dòngchảy:

Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc sự thay đổi BOD trong dòng chảy Động học của quá trình

Trong đó:

L - Nồng độ các chất hữu cơ theo BOD, mg/l;

k d - Hằng số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ, ngày-1;

k s - Hệ số tốc độ giảm các chất hữu cơ do quá trình lắng, ngày-1.

Hệ số tốc độ chuyển hoá các chất hữu cơ trong dòng chảy (k r =k d +k s ).

hiếu khí

LắngCác nguồn thải

điểm, phân tán

1.1.4.3 Cân bằng oxy trong dòng chảy

Cân bằng oxy hòa tan

Cân bằng oxy trong dòng chảy sông là khả năng chứa và quá trình hòa tan oxy

từ không khí qua bề mặt thoáng của dòng chảy

Hình 1.8 Sơ đồ cân bằng oxy trong nguồn nước Các quá trình ảnh hưởng đến nồng độ oxy hòa tan

Các quá trình tiêu thụ oxy trong dòng chảy bao gồm: quá trình nitrat hóa và khửnitrat hóa, quá trình hô hấp của hệ thực vật nước, quá trình oxy hóa các chất ở lớp bùnđáy và sự phân hủy các hợp chất hữu cơ

Các quá trình bổ sung lượng oxy hòa tan bao gồm: quá trình hòa tan và khuếchtán oxy từ môi trường không khí qua bề mặt thoáng, quá trình quang hợp của hệ thựcvật nước

Quá trình khuếch tán oxy qua bề mặt thoáng

Quá trình hòa tan oxy từ không khí vào nước sông được biểu thị bằng hệ số ka

Hệ số này phụ thuộc vào mức độ thiếu hụt oxy trong dòng chảy, tốc độ hòa tan theođịnh luật Henry Các yếu tố phụ thuộc bao gồm: áp suất, nhiệt độ, diện tích bề mặtthoáng và độ mặn

Trong dòng chảy sông, phụ thuộc vào sự chuyển động của khối dòng chảy,nhiệt độ môi trường không khí, nhiệt độ nước và sự có mặt của các chất hoạt tính bềmặt trong nguồn nước sông và được xác định bằng các công thức thực nghiệm đối vớidòng chảy có chế độ thủy lực khác nhau

Các công thức thực nghiệm về hằng số tốc độ thông khí (reaeration) trong dòngchảy thường được biểu thị theo tốc độ dòng chảy và chiều sâu cột nước hoặc sự phântán các chất và chiều sâu cột nước

Các công thức thực nghiệm

Hàm của tốc độ dòng chảy và chiều sâu cột nước:

oxy hòa tan

Trao đổi oxy

tự nhiên

Nitrat hóaKhử nitrat hóa

Nhu cầu oxy do

hô hấpNhu cầu oxy

của bùn đáy

Nhu cầu oxy

phân hủy sinh hóa

Bổ sung do quá

trình quang hợp

- O’Connor và Dobbin’s: = , . . (1.3)

Hàm của tốc độ dòng chảy, sự phân tán và chiều sâu cột nước:

Trong đó:

k a - Hằng số tốc độ khuếch tán oxy qua bề mặt thoáng, ngày-1;

- Vận tốc trung bình dòng chảy, m/s;

H - Chiều sâu trung bình, m;

Q - Lưu lượng của dòng chảy, m3

/s;

E x- Hệ số phân tán dọc dòng chảy, m2/s.

1.1.5 Ch ất lượng nguồn nước và đánh giá chất lượng nguồn nước

1.1.5.1 Chất lượng nguồn nước

Nguồn nước của sông luôn có chứa một hàm lượng các loại vật chất nhất định,bao gồm các chất vô cơ, chất hữu cơ, các vị khuẩn và vi sinh vât… Tất cả các loại vậtchất có trong nước sẽ tạo nên chất lượng của nguồn nước Nhờ khả năng pha loãng,khả năng tự làm sạch của nước trong quá trình chuyển vận các loại vật chất từ thượnglưu xuống hạ lưu và ảnh hưởng của các điều kiên tự nhiên của dòng sông, mà nguồnnước của sông tại mỗi đoạn sông cụ thể đều có thể tiếp nhận một lượng các chất ônhiễm nhất định mà nước sông vẫn không bị ô nhiễm Đó là khả năng tiếp nhận cácchất ô nhiễm hay chất thải của đoạn sông

Trong một đoạn sông luôn diễn ra các hoạt động phát triển KTXH hai bên bờsông Điều đó cũng có nghĩa là đoạn sông luôn phải tiếp nhận các nguồn gây ô nhiễm(tập trung và phân tán) bao gồm cả những nguồn gây ô nhiễm cũ và nguồn mới

1.1.5.2 Đánh giá chất lượng nguồn nước

Chất lượng nguồn nước được đánh giá thông qua nồng độ hoặc hàm lượng cáctác nhân vật lý, hóa học, sinh học có trong nước qua các quy chuẩn quy định cho từngmục đích sử dụng

* Các ch ỉ tiêu vật lý

- Độ màu

+ Độ màu thường do các chất bẩn trong nước tạo nên Các hợp chất sắt, mangankhông hoà tan làm nước có màu nâu đỏ, các chất mùn humic gây ra màu vàng, các loạithuỷ sinh tạo cho nước màu xanh lá cây Nước bị nhiễm bẩn bởi nước thải sinh hoạthay công nghiệp thường có màu xanh hoặc đen

+ Đơn vị đo độ màu thường dùng là Platin – Coban (Pt-Co) Nước thiên nhiênthường có độ màu thấp hơn 200Pt-Co

- Mùi, vị

Mùi trong nước thường do các hợp chất hữu cơ hay các sản phẩm từ các quátrình phân hủy vật chất gây nên Nước thiên nhiên có thể mùi đất, mùi tanh, mùi thối.Tùy theo thành phần và hàm lượng các muối khoáng hòa tan mà nước có vị: mặn,ngọt, chát, đắng

- Độ đục

Nước có độ đục lớn chứng tỏ có chứa nhiều cặn bẩn Đơn vị độ đục thường làmgSiO2/l, NTU, FTU Nước mặt thường có độ đục 20-100 NTU, mùa lũ có khi caođến 500-600 NTU Nước cấp cho ăn uống thường có độ đục không vượt quá 5 NTU.Hàm lượng chất rắn lơ lửng cũng là một đại lượng tương quan đến độ đục của nước

- Nhiệt độ

Nhiệt độ của nước là đại lượng phụ thuộc vào điều kiện môi trường và khí hậu.Nhiệt độ có ảnh hưởng không nhỏ đến các quá trình xử lý nước và nhu cầu tiêu thụ.Nước mặt thường có nhiệt độ thay đổi theo nhiệt độ môi trường

* Các ch ỉ tiêu hóa học

- Khí hoà tan

Các loại khí hoà tan thường thấy trong nước thiên nhiên là khí cacbonic (CO2),khí oxy (O2) và sunfua huyđro (H2S) Trong nước mặt, sự có mặt của khí H2S trongcác nguồn nước mặt, chứng tỏ nguồn nước đã bị nhiễm bẩn và có thừa chất hữu cơchưa phân huỷ, tích tụ ở đáy các vực nước

- Độ oxy hoá

Độ oxy hoá là một đại lượng để đánh giá sơ bộ mức độ nhiễm bẩn của nguồnnước Đó là lượng oxy cần có để oxy hoá hết các hợp chất hữu cơ trong nước Chấtoxy hóa thường dùng để xác định chỉ tiêu này là pemanganat kali (KMNO4)

- Các chất nitơ

Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ tạo ra amoniac (NH4+), nitrit (NO2-) vànitrat (NO3-) Do đó các hợp chất này thường được xem là những chất chỉ thị dùng đểnhận biết mức độ nhiễm bẩn của nguồn nước Khi mới bị nhiễm bẩn, ngoài các chỉ tiêu

có giá trị cao như độ oxy hoá, amoniac, trong nước còn có một ít nitrit và nitrat Saumột thời gian NH4+, NO2-bị oxy hoá thành NO3-

- Các hợp chất phốt pho (PO43-)

Trong nước tự nhiên, thường gặp nhất là photphat Photphat không thuộc loạihóa chất độc hại đối với con người, nhưng sự tồn tại của chất này với hàm lượng caotrong nước sẽ gây cản trở cho quá trình xử lý, đặc biệt là hoạt chất của các bể lắng

- Sunphat (SO42-)

Ion sunphat thường có trong nước có nguồn gốc khoáng chất hoặc nguồn gốchữu cơ Với hàm lượng sunphat cao hơn 400mg/l, có thể gây mất nước trong cơ thể

- Chất hoạt động bề mặt

Một số chất hoạt động bề mặt như xà phòng, chất tẩy rửa, … đang được xả vàocác nguồn nước Đây là những hợp chất khó phân huỷ sinh học nên ngày càng tích tụnước đến mức có thể gây hại cho cơ thể con người khi sử dụng

* Các ch ỉ tiêu sinh học

- Trong nước thiên nhiên có rất nhiều loại vi trùng, siêu vi trùng, rong, tảo vàcác đơn bào, trong đó có một số vi sinh vật gây bệnh cần phải được loại bỏ khỏi nướctrước khi sử dụng

- Trong thực tế không thể xác định tất cả các loại vi sinh vật gây bệnh quađường nước vì phức tạp và tốn thời gian Do vậy có thể dùng vài vi sinh chỉ thị ônhiễm để đánh giá sự ô nhiễm từ rác, phân người và động vật

+ Fecal coliform (Coliform phân): được dùng rộng rãi làm chỉ thị của việc ô

nhiễm phân, đặc trưng bởi khả năng lên men lactose trong môi trường cấy ở 35 – 370

C với sự tạo thành axit aldehyd và khí trong vòng 48h

+ Escherichia Coli (E.Coli): thường sống trong ruột người và một số động vật.

E.Coli đặc hiệu cho nguồn gốc phân, hiện diện trong phân của người và động vật,chim với số lượng lớn

1.1.5.3 Đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước

Khái niệm khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước đã được chỉ rõ trongThông tư 02/2009/TT-BTNMT, trong đó “KNTNNT là khả năng của nguồn nước cóthể tiếp nhận thêm một tải lượng chất ô nhiễm nhất định mà vẫn đảm bảo nồng độ cácchất ô nhiễm trong nguồn nước không vượt quá giá trị giới hạn được quy định trongcác quy chuẩn, tiêu chuẩn chất lượng nước cho mục đích sử dụng của nguồn nước tiếpnhận” [3] Đây là khái niệm chung của KNTNNT dựa trên việc so sánh giữa tải lượngchất ô nhiễm cho phép (tính theo tiêu chuẩn/quy chuẩn chất lượng nước hiện hành) vàlượng chất ô nhiễm thực tế của các nguồn gây ô nhiễm chảy vào trong nguồn nước

Do KNTNNT phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như là điều kiện của nguồn thải(lưu lượng, nồng độ chất ô nhiễm); điều kiện dòng chảy (vận tốc dòng chảy, lưu lượngnước sông) và chất lượng nước sông; điều kiện tự nhiên của lòng sông mà các yếu tốnày lại biến đổi theo thời gian nên KNTNNT của đoạn sông cũng luôn biến đổi

1.2 Mô hình ch ất lượng nước

1.2.1 Khái ni ệm

Mô hình chất lượng nước (MHCLN) là tập hợp các thuật toán, phương trìnhtoán học, các công cụ tính toán các chỉ tiêu phản ánh chất lượng nguồn nước Các chỉtiêu bao gồm: các chỉ tiêu vật lý, hoá học và thành phần sinh học của nguồn nước trên

cơ sở giải các phương trình toán học mô tả mối quan hệ giữa các chỉ tiêu phản ánhchất lượng nước cũng như các quá trình có liên quan đến nó

Trong đó, cơ sở là hệ phương trình vi phân mô tả quá trình lan truyền, xáo trộn

và chuyển hóa vật chất trong lòng dẫn như sau:

+ + + = + + + ( ) (1.7)Trong đó:

C - Nồng độ các chất trong dòng chảy, mg/l.

u x ,u y ,u z- Thành phần vận tốc trong dòng chảy, m/s

E x , E y , E z- Hệ số phân tán rối vật chất trong dòng chảy, m2/s

F(s) - Hàm số mô tả sự thay đổi các chất trong dòng chảy do các quá trình

Trên cơ sở mối quan hệ giữa các quá trình, các yếu tố hình thành và ảnh hưởngđến chất lượng nguồn nước, các MHCLN được chia thành 2 loại: mô hình tính toán sựlan truyền, phân bố các chất ô nhiễm trong dòng chảy và mô hình mô phỏng sự hìnhthành chất lượng nước và xu thế biến đổi chất lượng nguồn nước

Có 2 loại MHCLN:

- Mô hình tính toán sự lan truyền, phân bố các chất ô nhiễm trong dòng chảy;

mô phỏng sự biến đổi các chỉ tiêu chất lượng nước theo thời gian trong không gian củadòng chảy Việc thiết lập mô hình dựa trên cơ sở giải phương trình tải và tải - phân táncác chất ô nhiễm trong dòng chảy Các yếu tố đặc trưng về dòng chảy được xác định

từ các mô hình thủy lực, các số liệu thống kê hoặc đo thực nghiệm

- Mô hình mô phỏng sự hình thành chất lượng nguồn nước, các nguồn gây ônhiễm (các nguồn thải và tải lượng các chất thải) và sự thay đổi chất lượng nước theothời gian và không gian Thiết lập trên cơ sở ghép nối các mô hình thủy lực với môhình lan truyền chất ô nhiễm trong dòng chảy

1.2.3 Các phương pháp đánh giá, dự báo chất lượng nước và khả năng tiếp nhận

Có nhiều phương pháp để đánh giá, dự báo chất lượng nước và khả năng tiếpnhận của nguồn nước như:

- Phương pháp đánh giá trực tiếp dựa vào các số liệu quan trắc (các thông số vật

lý, nồng độ các chất hóa học, sinh học) tại một vị trí cụ thể nào đó trong những khoảng

cố định về thời gian, thể tích hay dòng chảy để đánh giá

- Phương pháp đánh giá và dự báo theo các số liệu thống kê của hiện tại và quákhứ, phương pháp này cho kết quả tốt trong trạng thái ổn định tức là các yếu tố ảnh

hưởng, sự hình thành không thay đổi, nhưng thực tế các yếu tố ảnh hưởng, sự hìnhthành luôn thay đổi theo thời gian.

Phương pháp đánh giá thông quan chỉ số chất lượng nước (viết tắt là WQI) một chỉ số được tính toán từ các thông số quan trắc chất lượng nước, dùng để mô tảđịnh lượng về chất lượng nước và khả năng sử dụng của nguồn nước đó; được biểudiễn qua một thang điểm Sử dụng bảng xác định giá trị WQI tương ứng với mức đánhgiá chất lượng nước để so sánh, đánh giá

-Tuy nhiên, các phương pháp này rất tốn kém về mặt thời gian, công sức vàphạm vi lấy mẫu giới hạn

- Phương pháp mô hình – là phương pháp có thể khắc phục được các hạn chếcủa phương pháp truyền thống, không những cho phép mô phỏng các dòng chảy vàđánh giá chất lượng nước trên toàn bộ lưu vực một cách liên tục theo không gian vàthời gian mà còn tiết kiệm thời gian và công sức

Trong những năm gần đây, mô hình chất lượng nước là một trong những công

cụ quản lý chất lượng nguồn nước một cách tổng quát và toàn diện, mang lại hiệu quảkinh tế cao và được ứng dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực dự báo ô nhiễm, đánh giá

xu thế biến đổi chất lượng nước, làm cơ sở khoa học cho việc bảo vệ tổng hợp nguồnnước v.v… Chính vì vậy, trong luận văn này, sử dụng các mô hình cụ thể như bảo toànkhối lượng theo chất ô nhiễm (được hướng dẫn cụ thể trong Thông tư 02:2009/TT-BTNMT Quy định đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước), mô hìnhtoán 1 chiều để mô phỏng chất lượng nước tại lưu vực nghiên cứu Bên cạnh đó sẽ sosánh kết quả các mô hình sử dụng với nhau, từ đó đề xuất mô hình tối ưu để đánh giákhả năng tiếp nhận cho lưu vực cửa Sông Hàn

1.2.4 Ứng dụng MHCLN trong đánh giá, dự báo chất lượng nước và khả năng tiếp

nh ận

1.2.4.1 Thế giới

Việc sử dụng các mô hình số để tính toán, mô phỏng, đánh giá, dự báo chấtlượng môi trường nước và khả năng tiếp nhận tại các khu vực gần bờ, khu bãi tắm, khunuôi trồng thủy sản đã được thực hiện rất phổ biến trên thế giới Tùy thuộc vào đốitượng và mục đích nghiên cứu, việc áp dụng các loại mô hình tính toán cũng khácnhau Có thể liệt kê một số mô hình thường được áp dụng trên thế giới:

Mô hình WASP7 (Water Quality Analysis Simulation Program 7) là mô hìnhđược xây dựng dựa trên mô hình trước đó (WASP – được xây dựng bởi Di Toro, 1983;Connolly vaf Winfield, 1984; Ambrose, R.B, 1988) Mô hình này được sử dụng để mô

tả và dự báo chất lượng nước giúp các nhà quản lý đưa ra những quyết định, giải phápđối phó với các hiện tượng ô nhiễm do tự nhiên và con người Mô hình này cho phépngười sử dụng áp dụng trong không gian 1D nhưng cũng có thể mô phỏng tựa 2D và3D bằng cách chia hộp với đa dạng thành phần chất ô nhiễm Mô hình WASP cũng cóthể liên kết với các mô hình thủy động lực và vận chuyển trầm tích để thu được trường

dòng chảy, nhiệt độ, độ muối và các thông lượng trầm tích Mô hình WASP đã được

sử dụng để mô phỏng quá trình yếm khí trong vịnh Tampa; Cung ứng Photpho cho hồOkeechobee; Quá trình yếm khí tại cửa sông Neuse River; Ô nhiễm vật chất hữu cơ dễphân hủy tại cửa sông Delaware, ô nhiễm kim loại nặng tại sông Deep, bắc Carolina

Mô hình QUAL2K (hay Q2K) (River and Stream Water Quality Model) đượcnâng cấp từ mô hình trước đó là QUAL2E (hay Q2E (Brown và Barnwell 1987)) Đây

là mô hình mô phỏng chất lượng nước suối và sông một chiều có sự tham gia của quátrình xáo trộn rối và bên Một đặc điểm linh hoạt của mô hình này là có thể chạy đượctrong môi trường Visual basic hoặc trong môi trường Excel Mô hình có những đặcđiểm sau: có thể tính toán trên từng phân đoạn của sông và các nhánh sông Mô hìnhtính toán chu trình Nitơ Thông qua các chu trình chuyển hóa nitơ để biểu diễn các hợpchất cacbon (loại ôxy hóa nhanh và chậm), các loại cacbon hữu cơ không sống (cácphân tử cacbon, nitơ, phôtpho trong các hợp chất hóa học) Các quá trình thiếu hụt ôxygần tới giá trị không do các quá trình ôxy hóa, trong đó quá trình khử nitơ như là bướctương tác đầu tiên Tính toán thông lượng trao đổi ôxy hòa tan và các dinh dưỡng giữatrầm tích và nước

DELFT 3D của Viện nghiên cứu thuỷ lực Hà Lan cho phép kết hợp giữa môhình thuỷ lực 3 chiều với mô hình chất lượng nước Ưu điểm của mô hình này là việckết hợp giữa các module tính toán phức tạp để đưa ra những kết quả tính mô phỏngcho nhiều chất và nhiều quá trình tham gia

SMS của Trung tâm nghiên cứu và phát triển kỹ thuật của quân đội Mỹ xâydựng cho phép kết hợp giữa mô hình thuỷ lực 1, 2 chiều với mô hình chất lượng nước,trong đó module RMA4 là mô hình số trị vận chuyển các yếu tố chất lượng nước phân

bố đồng nhất theo độ sâu Nó có thể tính toán sự tập trung của 6 thành phần bảo toànhoặc không bảo toàn được tính toán theo lưới 1 chiều hoặc 2 chiều

ECOSMO (ECOSystem MOdel) là mô hình cặp ba chiều thủy động lực – băngbiển – sinh địa hóa Mô hình được phát triển dựa trên mô hình thủy động lựcHAMSOM (HAMburg shelf Ocean Model) đã được liên kết mô đun động lực - nhiệtđộng lực biển - băng (Schrum và Backhaus, 1999) và môđun sinh học (Schrum, 2006).Môđun sinh học NPZD dựa trên quá trình chuyển đổi giữa mức đầu tiên và thứ haitrong chuỗi thức ăn và được điểu khiển bởi các thông lượng Nitơ, Photpho và Silic.Điều quan trọng trong tính toán mô hình này là thống nhất được giới hạn các chu trìnhdinh dưỡng vĩ mô và động vật phù du như là mô hình chuẩn đoán biến đổi cho cáctương tác phi tuyến trong hệ sinh thái của các mức thứ nhất và thứ hai trong chuỗi thức

ăn Thêm vào đó, mô hình còn tính toán sự biến đổi các mảnh vụn và ôxy để có thểđánh giá được lượng còn lại và các quá trình ôxy hóa Các tính toán về sinh khối sơcấp và thứ cấp Mô hình ECOSMO đã được áp dụng một cách thành công trong việc

mô tả khu vực có động lực dinh dưỡng yếu khu vực Biển Bắc

BASINS của EPA nhằm trợ giúp đánh giá kiểm tra hệ thống dữ liệu thông tinmôi trường, giúp các hệ thống phân tích môi trường và phân tích các phương án quản

lý Một điểm nổi bật của BASINS là đã đưa vào cách tiếp cận mới dựa trên nền tảnglưu vực sông, có kết hợp quản lý dữ liệu không gian thông qua hệ thông tin địa lý GIS.BASINS có thể dùng cho các mục đích sau: Mô phỏng các điều kiện của lưu vực vàđánh giá hiện trạng chất lượng nước; Mô phỏng các tác động của việc thay đổi sử dụngđất có tính đến cân bằng nước, mô phỏng các kịch bản nguồn ô nhiễm điểm và diện,xây dựng và phát triển cách quản lý của cả lưu vực Các nhóm tham số của mô hìnhbao gồm: Các hợp chất dinh dưỡng của Nitơ và Photpho, DO, BOD, thuốc trừ sâu,thuốc bảo vệ thực vật, bùn

Bộ phần mềm MIKE do Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) phát triển và đượcthương mại hoá Một đặc điểm mạnh của MIKE rất dễ sử dụng với các giao diệnWindows, kết hợp chặt chẽ với GIS (hệ thống thông tin địa lý) MIKE tích hợp cácmodule thuỷ lực (HD) và chất lượng nước (ECO Lab), bao gồm: thuỷ lực, truyền tải -khuếch tán chất lượng nước MIKE là một mô hình với nhiều tính năng mạnh, khảnăng ứng dụng rộng rãi cho nhiều dạng thuỷ vực khác nhau

1.2.4.2 Việt Nam

a) Tình hình nghiên c ứu ứng dụng các mô hình chất lượng nước

Ở nước ta, trong những năm gần đây, hướng nghiên cứu, xây dựng và sử dụng

mô hình trong nghiên cứu thủy động lực – môi trường đang rất được quan tâm Một sốcác nghiên cứu ứng dụng mô hình trong đánh giá chất lượng nước đã được nghiên cứutrong cả nước có thể kể đến đó là:

1) Hoàng Dương Tùng (2004), trong phạm vi luận án tiến sĩ, đã sử dụng phầnmềm DELFT 3D - WAQ đánh giá khả năng chịu tải ô nhiễm của Hồ Tây với mục đíchxây dựng căn cứ khoa học trong việc xây dựng kế hoạch bảo vệ và phát triển Hồ Tây.Nội dung đã xem xét đến khả năng biến động các yếu tố DO, BOD, COD, NH4+, NO3-,

PO4- theo không gian 2 chiều và thời gian

2)“Nghiên cứu khả năng tự làm sạch, đề xuất các giải pháp nhằm bảo vệ và cải thiện chất lượng môi trường đầm Thủy Triều - vịnh Cam Ranh”; PGS-TS Bùi Tá

Long, ThS Nguyễn Hữu Huân (2011) Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp mô hìnhhóa quá trình sinh học để nghiên cứu quá trình tự làm sạch của môi trường biển khuvực vịnh Cam Ranh với nguồn thải là các nhà máy và các khu công nghiệp Đề tài sửdụng mô hình ECOSMO để tính toán, mô phỏng quá trình lan truyền một số thànhphần vật chất gây ô nhiễm, các quá trình sinh hóa từ đó có những đánh giá về quá trình

tự làm sạch vịnh

3)“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 sửdụng bộ phần mềm này trên các sông để góp phần đánh giá hiện trạng ô nhiễm tại cácsông ở Việt Nam.

4) “Mô phỏng quá trình lan truyền vật chất ô nhiễm dưới tác động của các yếu

tố động lực tại vịnh Cam Ranh bằng mô hình số”; Phan Thành Bắc; Trường Đại họcKhoa học tự nhiên Hà Nội Nghiên cứu sử dụng gói phần mềm MIKE 21 HD, ECOLab để mô phỏng quá trình lan truyền một số vật chất có thể gây ô nhiễm từ các nguồnthải của khu công nghiệp, nuôi trồng thủy sản và khu dân cư trong 2 mùa: mùa mưa vàmùa khô đến chất lượng nước các bãi tắm khu vực Cam Ranh

5) “Áp dụng mô hình MIKE trong mô phỏng chất lượng nước vùng hạ lưu Vu

Gia-Hàn, thành phố Đà Nẵng”; Nguyễn Dương Quang Chánh; Đại học Đà Nẵng.

Trong luận văn này sử dụng mô hình toán dòng chảy một chiều MIKE 11 và tính toáncác thông số đặc trưng hệ số phân tán dọc dòng chảy và hệ số phân hủy chất hữu cơ để

mô phỏng chất lượng nước vùng hạ lưu Vu Gia-Hàn đồng thời đưa ra các kịch bản giảđịnh hiện tại cũng như trong tương lai để đánh giá chất lượng nước và các ảnh hưởngcủa nguồn thải cũng như ảnh hưởng của biến đối khí hậu- nước biển dâng đến chấtlượng nước hạ lưu Vu Gia- Hàn.[8]

6)“Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE 21 Mô đun Ecolab đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải của vùng cửa sông Vu Gia - Hàn”; Nguyễn Thị Huyền; Đại học

Đà Nẵng Nghiên cứu này đã ứng dụng mô hình MIKE 21 môđun HD và ECOlab mô

phỏng chất lượng nước vùng cửa sông Vu Gia – Hàn Các kết quả chạy mô phỏng kịchbản giả định cho thấy độ nhạy của mô hình đối với ảnh hưởng của các yếu tố như hiệusuất xử lý của các trạm xử lý, các yếu tố phát triển kinh tế - xã hội trong tương lai vànước biển dâng đến chất lượng nước vùng cửa sông Vu Gia – Hàn, có thể dễ dàngthêm bất cứ nguồn thải nào vào lưu vực vùng Cửa sông Vu Gia - Hàn khi sử dụng môhình MIKE 21 Ecolab này để đánh giá khả năng tiếp nhận của nguồn nước tại lưu vựcnghiên cứu Bên cạnh đó, nghiên cứu này cũng chỉ rõ phạm vi không gian ảnh hưởngnhất định của nguồn thải đối với lưu vực sông Hàn.[9]

Tuy nhiên, các nghiên cứu trên đây thường đánh giá trên toàn bộ lưu vực rộnglớn, chưa có nghiên cứu nào cụ thể đánh giá khả năng tiếp nhận riêng cho một lưu vựcnhỏ Do đó, trong luận văn này, tác giả cũng sẽ sử dụng mô hình toán 1 chiều và dựatrên phạm vi không gian ảnh hưởng của nguồn thải đối với lưu vực sông Hàn đã khảoxác thực địa và xác định trong luận văn của Nguyễn Thị Huyền để đánh giá khả năngchịu tải của Sông Hàn tại lưu vực tiếp nhận nước thải của Trạm XLNT Hòa Cường

b) Th ực trạng sử dụng công cụ đánh giá khả năng tiếp nhận của nguồn nước

hi ện nay

Hiện nay, quản lý và kiểm soát các nguồn gây ô nhiễm nước trên các thủy vựcsông hồ là vô cùng quan trọng có liên quan đến quản lý bảo vệ chất lượng nước cácdòng sông Nhận thức tầm quan trọng của vấn đề trên, Bộ TNMT đã trình Chính phủ

ban hành Nghị định 149/2004/NĐ-CP ngày 27/7/2004 quy định cụ thể về việc cấp, giahạn, thay đổi, đình chỉ, thu hồi giấy phép thăm dò, khai thác, sử dụng tài nguyên nước,

xả nước thải vào nguồn nước, trong đó quy định rõ việc cấp phép xả nước thải vàonguồn nước phải không vượt quá “khả năng tiếp nhận nước thải (KNTNNT) của dòngsông Việc cấp phép cũng phải dựa vào KNTNNT của nguồn nước” Để thực hiện năm

2005 Bộ TNMT đã ban hành Thông tư 02/2005/TT- BTNMT hướng dẫn thực hiệnNghị định 149/2004/NĐ-CP của Chính phủ và tháng 9 năm 2009 ban hành Thông tư02/2009/TT- BTNMT hướng dẫn phương pháp đánh giá KNTNNT của nguồn nước

Kể từ sau khi có nghị định 149/2004/NĐ-CP đến nay, hàng năm, Bộ TN&MT

và các tỉnh đã tiến hành thực hiện cấp phép xả nước thải vào nguồn nước cho một sốcác cơ sở sản xuất, kinh doanh dịch vụ Các trường hợp xem xét cấp giấy phép xảnước thải vào nguồn nước, đơn vị lập đề án (hoặc báo cáo) xin cấp phép xả nước thảivào nguồn nước cũng như cơ quan quản lý có thẩm quyền cấp phép đa số vẫn sử dụngphương pháp tính toán KNTNNT của nguồn nước trong Thông tư 02/2009/TT-BTNMT để xem xét và giải quyết việc cấp giấy phép

Tuy nhiên, Thông tư này bỏ qua các quá trình tự nhiên của nguồn nước để đánhgiá khả năng tiếp nhận nước thải Điều đó cho thấy giữa yêu cầu đánh giá, dự báoKNTNNT của đọan sông để cấp phép xả thải và các phương pháp đánh giá KNTNNTcần phải nghiên cứu để làm rõ và tiếp tục nghiên cứu để đề xuất được phương phápphù hợp đáp ứng đươc đòi hỏi của thực tế

Để đóng góp cho vấn đề quản lý các nguồn gây ô nhiễm nước cũng như xét cấpgiấy phép xả nước thải vào nguồn nước, luận văn này sẽ làm rõ, sử dụng và so sánhcác phương pháp đánh giá khác nhau như phương pháp đánh giá theo Thông tư02:2009/TT-BTNMT và phương pháp mô hình toán 1 chiều Từ đó đề xuất phươngpháp phù hợp với yêu cầu của thực tế để cơ quan quản lý cấp phép xả nước thải vàonguồn nước

1.2.5 Phương pháp đánh giá theo bảo toàn khối lượng theo chất ô nhiễm

1.2.5.1 Lý thuyết

Phương pháp này xây dựng khi giả thiết rằng các chất ô nhiễm sau khi đi vàonguồn nước tiếp nhận sẽ không tham gia vào các quá trình biến đổi chất trong nguồnnước, như:

- Lắng đọng, tích luỹ, giải phóng các chất ô nhiễm (ví dụ quá trình lắng đọng,tích luỹ photpho trong trầm tích và giải phóng chúng từ trầm tích do quá trình xáo trộnhoặc do hàm lượng oxy hoà tan thấp);

- Tích đọng các chất ô nhiễm trong thực vật, động vật thuỷ sinh (ví dụ quá trìnhtích đọng sinh học các kim loại nặng và thuốc trừ sâu trong cá);

- Tương tác vật lý, hoá học hoặc/và sinh học của các chất ô nhiễm trong nguồnnước (ví dụ các hợp chất hữu cơ làm giảm lượng oxy hoà tan trong nước sông)

- Sự bay hơi của các chất ô nhiễm ra khỏi nguồn nước (thường xảy ra với cáchợp chất dễ bay hơi).

Các giả thiết để áp dụng phương pháp bảo toàn khối lượng các chất ô nhiễm:

- Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm được đánh giá đối với một nguồn xả thải trênđoạn sông với giả thiết là không có sự thay đổi về tốc độ dòng chảy lẫn chất lượngnguồn nước tiếp nhận phía thượng lưu trong khoảng thời gian đánh giá;

- Đoạn sông không bị ảnh hưởng triều;

- Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm là đồng đều trên toàn đoạn sông;

- Quá trình hoà tan, xáo trộn chất ô nhiễm trong nguồn nước tiếp nhận là hoàntoàn và xảy ra ngay sau khi xả thải;

- Mục đích sử dụng của nguồn nước tiếp nhận đã được xác định [3]

1.2.5.2 Tính toán

Khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước đối với chất ô nhiễm đang đánhgiá được tính toán theo phương trình dưới đây:

a) Tính toán t ải lượng ô nhiễm tối đa của chất ô nhiễm

Tải lượng tối đa chất ô nhiễm mà nguồn nước có thể tiếp nhận đối với một chất

ô nhiễm cụ thể được tính theo công thức:

L tđ = (Q s + Q t ) * C tc * 86,4 (1.8)Trong đó:

Qs(m3/s) là lưu lượng dòng chảy tức thời nhỏ nhất ở đoạn sông cần đánh giátrước khi tiếp nhận nước thải, (m3/s),

Qt(m3/s) là lưu lượng nước thải lớn nhất,

Ctc(mg/l) là giá trị giới hạn nồng độ chất ô nhiễm đang xem xét được quyđịnh tại quy chuẩn, tiêu chuẩn chất lượng nước để bảo đảm mục đích sử dụngcủa nguồn nước đang đánh giá,

86,4 là hệ số chuyển đổi đơn vị thứ nguyên từ (m3/s)*(mg/l) sang (kg/ngày)

Khả năng tiếp nhận của

nguồn nước đối với chất

ô nhiễm

Tải lượng ô nhiễm tối

đa của chất ô nhiễm

Tải lượng ô nhiễm sẵn

có trong nguồn nướccủa chất ô nhiễm

b) Tính toán t ải lượng ô nhiễm có sẵn trong nguồn nước tiếp nhận

Tải lượng ô nhiễm có sẵn trong nguồn nước tiếp nhận đối với một chất ô nhiễm

cụ thể được tính theo công thức:

Trong đó:

Ln(kg/ngày) là tải lượng ô nhiễm có sẵn trong nguồn nước tiếp nhận;

Qs(m3/s) là lưu lượng dòng chảy tức thời nhỏ nhất ở đoạn sông cần đánh giátrước khi tiếp nhận nước thải,

Cs(mg/l) là giá trị nồng độ cực đại của chất ô nhiễm trong nguồn nước trướckhi tiếp nhận nước thải,

86,4 là hệ số chuyển đổi đơn vị thứ nguyên từ (m3/s)*(mg/l) sang (kg/ngày)

c) Tính toán t ải lượng ô nhiễm của chất ô nhiễm đưa vào nguồn nước tiếp

Lt(kg/ngày) là tải lượng chất ô nhiễm trong nguồn thải;

Qt(m3/s) là lưu lượng nước thải lớn nhất,

Ct(mg/l) là giá trị nồng độ cực đại của chất ô nhiễm trong nước thải,

86,4 là hệ số chuyển đổi đơn vị thứ nguyên từ (m3/s)*(mg/l) sang (kg/ngày)

d) Tính toán kh ả năng tiếp nhận nước thải

Khả năng tiếp nhận tải lượng ô nhiễm của nguồn nước đối với một chất ô nhiễm

cụ thể từ một điểm xả thải đơn lẻ được tính theo công thức:

L tn = (L tđ - L n - L t ) * F s (1.11)

Trong đó:

Ltn(kg/ngày) là khả năng tiếp nhận tải lượng chất ô nhiễm của nguồn nước;

Ltđ (kg/ngày) là tải lượng ô nhiễm tối đa của nguồn nước đối với chất ônhiễm đang xem xét;

Ln(kg/ngày) là tải lượng ô nhiễm có sẵn trong nguồn nước tiếp nhận;

Lt(kg/ngày) là tải lượng chất ô nhiễm trong nguồn thải;

Fslà hệ số an toàn

Nếu giá trị Ltnlớn hơn (>) 0 thì nguồn nước vẫn còn khả năng tiếp nhận đối vớichất ô nhiễm Ngược lại, nếu giá trị Ltn nhỏ hơn hoặc bằng (≤) 0 có nghĩa là nguồnnước không còn khả năng tiếp nhận đối với chất ô nhiễm.[3]

1.2.5.3 Xác định hệ số an toàn cho mô hình

Đối với mô hình theo Thông tư 02:2009/TT-BTNMT, việc sử dụng Hệ số antoàn Fs trong xác định khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm theo phương pháp bảo toànkhối lượng là do có nhiều yếu tố không thể định lượng và không chắc chắn trong quá

trình tính toán khả năng tiếp nhận nước thải khi buộc phải chấp nhận các giả thiết đãnêu trên; hoặc do thiếu thông tin đầy đủ về tình hình xả nước thải và khai thác, sửdụng nước ở hạ lưu; và nhằm bảo đảm khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nướctrên thực tế sẽ không bị sử dụng hết chỉ cho một nguồn xả nước thải và dành khả năngtiếp nhận nước thải của nguồn nước cho các nguồn thải ở hạ lưu.

Hệ số an toàn Fs có giá trị trong khoảng 0,3 < Fs < 0,7 Hệ số an toàn có thểkhác nhau đối với các chất ô nhiễm khác nhau Giá trị Fsnhỏ có nghĩa là chỉ dành mộtphần nhỏ khả năng tiếp nhận nước nước thải đối với chất ô nhiễm được đưa vào nguồnnước do các yếu tố không chắc chắn lớn và nguy cơ rủi ro cao.[3]

1.2.5.4 Ưu điểm và nhược điểm của mô hình

- Kết quả tính toán KNTNNT cho độ tin cậy thấp do phương pháp khôngxem xét đến điều kiện thủy văn, thủy lực, địa hình dòng sông, hay nói cách khác,chưa xét đến các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng tự làm sạch của nguồn nước, qua

đó tác động tới KNTNNT của đoạn sông

1.2.6 Mô hình toán 1 chi ều

Phương trình cơ bản mô tả sự lan truyền và phân bố vật chất trong dòng chảyđược thể hiện qua phương trình 3 chiều (1.7)

Với giả thiết, bỏ qua sự tải do vận tốc dòng chảy, quá trình khuếch tán theo cácphương Oy, Oz từ phương trình (1.7) ta có phương trình mô tả quá trình lan truyền -khuếch tán các chất hữu cơ tại một điểm trong dòng chảy

Trong các nghiên cứu ban đầu cũng như ứng dụng các MHCLN cho các dòngchảy sông rộng, cửa sông thường được xem xét trong không gian một chiều

1.2.6.1 Phương trình cổ điển Streeter - Phelps

Các nghiên cứu về sự lan truyền, chuyển hóa các chất hữu cơ trong dòng chảyđều dựa trên cơ sở phương trình cổ điển Streeter - Phelps với các giả thiết sau:

- Tốc độ phân huỷ các chất hữu cơ tuân theo quy luật phản ứng bậc nhất

- Sự thiếu hụt oxy hoà tan (D) trong dòng chảy do sự phân huỷ các chất hữucơ

- Chế độ lan truyền chất trong dòng chảy ổn định

Năm 1925, Streeter và Phelps thiết lập phương trình toán học mô tả quá trìnhtiêu thụ oxy do sự phân hủy các chất hữu cơ trong dòng chảy.

Phương trình Streeter - Phelps:

u - Vận tốc trung bình của dòng chảy, m/s.

D 0 - Độ thiếu hụt oxy, mg/l Tại điểm có toạ độ x=0 (điểm xáo trộn nước

thải với nước sông)

D - Độ thiếu hụt oxy, mg/l

L 0 - Nồng độ các chất hữu cơ theo BOD, mg/l Tại điểm có tọa độ x=0(điểm xáo trộn nước thải với nước sông)

L - Nồng độ các chất hữu cơ theo BOD, mg/l.

k d - Hằng số tốc độ tiêu thụ oxy do sự phân huỷ hợp chất hữu cơ, ngày-1.

k a - Hằng số tốc độ hòa tan oxy qua bề mặt thoáng, ngày-1

1.2.6.2 Các nghiên cứu phát triển trên cơ sở phương trình Streeter - Phelps

Tuy nhiên, mô hình Streeter - Phelps chỉ kể đến các yếu tố tiêu thụ oxy do quátrình hô hấp của vi khuẩn hiếu khí trong tầng nước và hòa tan oxy qua bề mặt thoángkhi trong nước có sự thiếu hụt oxy hòa tan Khi áp dụng cho các đối tượng khác nhaucho thấy, độ tin cậy của mô hình còn thấp do chưa đề cập đến các yếu tố ảnh hưởngđến phân bố BOD & DO trong dòng chảy như: quá trình quang hợp và hô hấp của hệthực vật nước, hô hấp trong tầng cặn đáy, các quá trình ammôn hoá, nitơrit, nitơrat cũng như ảnh hưởng của dòng chảy đến sự lan truyền các chất trong dòng chảy như:quá trình lắng các chất lơ lửng, sự phân tán các chất do dòng chảy rối, ảnh hưởng của

độ mặn và gió

Nhằm mục đích hoàn thiện hơn, nâng cao độ tin cậy của mô hình Streeter Phelps đối với các dòng chảy trong tự nhiên, các tác giả O’Connor, Dobbin’s, Thomat,Camps, Di Toro bằng các nghiên cứu thực nghiệm bổ sung thêm các quá trình sinhthái - chất lượng nước nhằm mục đích mô tả một cách tổng quát, đầy đủ các yếu tố cóliên quan đến phân bố, thay đổi BOD&DO trên dòng chảy

-a) Quá trình l ắng các chất lơ lửng

Giả thiết, trong quá trình lan truyền một phần các chất hữu cơ dạng lơ lững,phân tán lắng đọng, trong trường hợp này, sự lan truyền các chất hữu cơ được mô tảtheo các phương trình sau:

k r - Hệ số tốc độ chuyển hoá các chất hữu cơ trong dòng chảy, ngày-1

k s - Hệ số tốc độ thay đổi nồng độ các chất hữu cơ do các quá trình lắng

đọng, hấp thụ các chất hữu cơ trong dòng chảy, ngày-1

b) Quá trình phân tán v ật chất trong dòng chảy

Các sông rộng và vùng cửa sông với sự ảnh hởng của gió, dòng triều có chế độxáo trộn hết sức phức tạp việc mô phỏng cần xem xét và đánh giá đồng thời ảnh hởngcủa các quá trình chính lên sự phân tán các chất ô nhiễm trong dòng chảy Các quátrình chính bao gồm: sự phân tán rối vật chất do chế độ xáo trộn phức tạp Các phươngtrình cơ bản của quá trình:

Q - Lưu lượng dòng chảy, m3/s

W - Tải trọng thải của các chất ô nhiễm từ nguồn thải, mg/s.

E - Hệ số phân tán, m2/s.[3]

1.2.6.3 Các hệ số cần xác định của mô hình

Để mô phỏng chất lượng nước cho lưu vực nghiên cứu, cần xác định các hệ sốcho mô hình để mô phỏng chính xác khả năng lan truyền các chất ô nhiễm cũng nhưkhả năng phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện thực tế của lưu vực tiếp nhận nướcthải

w: Chiều rộng của mặt cắt đang xét, m;

: vận tốc trung bình trên toàn bộ mặt cắt ngang, m/s;

∗ = : vận tốc trượt của dòng chảy tại mặt cắt

d : Chiều sâu trung bình của dòng chảy tại mặt cắt, m;

S : độ dốc đáy của dòng chảy;

độ các chất hữu cơ (BOD) theo thời gian t như sau:

Trong đó:

L 0 - Nồng độ các chất hữu cơ theo BOD, mg/l Tại điểm có tọa độ x=0(điểm xáo trộn nước thải với nước sông)

L - Nồng độ các chất hữu cơ theo BOD, mg/l.

k d - Hằng số tốc độ tiêu thụ oxy do sự phân huỷ hợp chất hữu cơ, ngày-1.1.2.6.4 Ưu điểm và nhược điểm của mô hình

Ưu điểm:

- Cho kết quả nhanh về sự lan truyền, phân bố các chất từ các nguồn thải đếnchất lượng nước Trên cơ sở đó cho phép chúng ta đánh giá tác động ban đầu cũng nhưnhững ảnh hưởng lâu dài đến chất lượng nguồn nước

- Độ tin cậy cao, dễ sử dụng do đòi hỏi ít các số liệu đầu vào

- Áp dụng rộng rãi trong việc đánh giá tác động của các hoạt động phát triển,

dự báo xu thế biến đổi chất lượng nguồn nước

Nhược điểm:

- Loại mô hình này chưa xem xét đến các yếu tố hình thành chất lượngnguồn nước, việc tính toán mô phỏng trong các khoảng thời gian ngắn và đặc biệtđánh giá ảnh hưởng của các nguồn thải phân tán, các sự cố môi trường đến chấtlượng nguồn nước còn gặp nhiều khó khăn

1.2.7 Mô hình MIKE

Trong những năm 1990, viện thủy lực Đan mạch đã thiết lập hệ thống mô hìnhchất lượng nước cho kênh, sông Hệ thống này có thể tính toán sự lan truyền chất ônhiễm trong dòng chảy từ các nguồn khác nhau vào các lưu vực khác nhau Tùy thuộcđối tượng nghiên cứu, yêu cầu tính toán các thông số chất lượng nước trong dòng chảysông, 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

Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng các mô đun thủy độc lực HD, AD đểtruy xuất các dữ liệu phục vụ cho việc xác định các hệ số của mô hình toán 1 chiều

1.2.7.1 Mô hình MIKE 11

Mô hình MIKE11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do Viện Thuỷ lựcĐan Mạch (DHI) xây dựng và phát triển, 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, kênhdẫn và các hệ thống dẫn nước khác MIKE11 là công cụ lập mô hình động lực mộtchiều, thân thiện với người sử dụng nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý và vậnhành cho sông và hệ thống kênh dẫn đơn giản và phức tạp Với môi trường đặc biệtthân thiện với người sử dụng, linh hoạt và tốc độ, MIKE11 cung cấp một môi trườngthiết kế hữu hiệu về kỹ thuật công trình, tài nguyên nước, quản lý chất lượng nước vàcác ứng dụng quy hoạch Mô đun thuỷ động lực (HD) là một phần trung tâm của hệthống lập mô hình MIKE11 và là cơ sở cho hầu hết các mô đun khác: dự báo lũ, tảikhuếch tán, chất lượng nước và các mô đun vận chuyển bùn cát

a) Mô đun thủy động lực (HD) MIKE11

Mô đun thủy động lực là phần quan trọng nhất trong bộ mô hình MIKE11, đượcxây dựng từ hệ phương trình Saint - Venant cho dòng một chiều, không ổn định

- Phương trình liên tục:

Hình 1.9 Sơ đồ mô tả phương trình liên tục

y - hệ số thủy lực, theo Maninh y = 1/6

Z - Cao trình mực nước ở thời điểm tính toán (m)

q - Lưu lượng nhập lưu trên một đơn vị chiều dài dọc sông (m2/s)

t - Thời gian (s)

x - Khoảng cách giữa các mặt cắt (m)

Hình 1.10 Sơ đồ dòng chảy giữa hai mặt cắt tính toán

Sử dụng sơ đồ sai phân sáu điểm của Abott, để giải hệ phương trình Saint Venant Đầu vào là số liệu về đặc tính hệ thống cùng số liệu của nguồn nước vào ratrên toàn hệ thống Hệ phương trình 4.1 và 4.2 là hệ phương trình vi phân phi tuyến, có

-hệ số biến đổi Các nghiệm cần tìm là Q và Z là hàm số của các biến độc lập x, t Từ

hệ phương trình Saint - Venant (1) và (2), ta có thể viết lại theo biến Q và h:

Giải hệ phương trình vi phân trên sẽ xác định được giá trị lưu lượng, mực nước(dạng cóc nhảy), tại các mặt cắt ngang trong mạng sông ở mọi thời điểm trong khoảngthời gian nghiên cứu

b) Mô đun chất lượng nước MIKE11

Mô đun truyền tải khuyếch tán (AD) có chức năng tính toán sự lan truyền củacác chất huyền phù hoặc hòa tan (phân hủy) dưới tác động của dòng chảy Bài toán đặt

ra trong nghiên cứu này là bài toán có liên quan đến các chu trình sinh hóa diễn ra

trong dòng sông, do đó tác giả không những chỉ sử dụng mô đun truyền tải khuyếchtán mà còn phải kết hợp với mô đun sinh hóa (Ecolab) để giải quyết vấn đề Phươngtrình cơ bản trong hai mô đun này là phương trình truyền tải khuyếch tán.

 Mô đun truyền tải khuếch tán

Trong MIKE11, quá trình truyền tải khuyếch tán mô tả bằng phương trình:

Q - Lưu lượng dòng chảy, m3/s

q - Lưu lượng dòng gia nhập trên một đơn vị chiều dài sông, m2/s

K - Hệ số phân huỷ sinh học, K chỉ được dùng khi các hiện tượng hayquá trình xem xét có liên quan đến các phản ứng sinh hoá

Phương trình tải khuyếch tán phản ánh hai cơ chế vận chuyển:

1 Quá trình vận chuyển chất do dòng chảy (advection)

2 Quá trình khuếch tán các chất do dòng chảy rối (turbulent diffusion)

 Mô đun sinh thái (Ecolab)

Mô đun sinh thái trong mô hình MIKE11 giải quyết khía cạnh chất lượng nướctrong sông tại những vùng bị ảnh hưởng bởi các hoạt động dân sinh kinh tế.v.v Môđun này phải được đi kèm với mô đun tải - khuếch tán, điều này có nghĩa là mô đunchất lượng nước giải quyết các quá trình biến đổi sinh học của các hợp chất trong sôngcòn mô đun tải - khuếch tán được dùng để mô phỏng quá trình truyền tải khuếch táncủa các hợp chất đó

1.2.7.2 Mô hình MIKE 21

Mô hình MIKE 21 là gói công cụ trong bộ phần mềm DHI được xây dựng bởiViện Thủy Lực Hà Lan, đây là mô hình tính toán dòng chảy hai chiều trong một lớpchất lỏng đồng nhất theo phương thẳng đứng

Các Mô đun trong MIKE 21 bao gồm:

MIKE 21

Thủy động lực (Hydro Dynamic HD)Vận chuyển bùn (Mud Transport)Vận chuyển cát (Sand Transport)Khuếch tán (Advection Dispersion)

Mô hình sinh thái (Ecological Modelling)Sóng và gió (Waves and Winds)Chất lượng nước (Ecolab)…