BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- TẠ NGỌC HẢI LINH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHẦN MỀM QUAL2KW TRONG QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG NƯỚC MỘT LƯU VỰC SÔNG Chuyên ngành: QUẢN LÝ TÀ
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-
TẠ NGỌC HẢI LINH
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHẦN MỀM QUAL2KW TRONG QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG NƯỚC MỘT LƯU VỰC SÔNG
Chuyên ngành: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS TRỊNH THÀNH
Trang 3L ỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn của TS Trịnh Thành Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này
là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác
giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo
Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số
liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn
gốc Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về
nội dung luận văn của mình Trường đại học Bách Khoa Hà Nội không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có)
Hà N ội, ngày 13 tháng 09 năm 2018
Trang 4Mục lục
LỜI CAM ĐOAN 1
DANH MỤC HÌNH ẢNH 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU 6
LỜI CẢM ƠN 7
MỞ ĐẦU 8
I Tính cấp thiết và ý nghĩa của đề tài nghiên cứu 8
II Mục tiêu và phương phápnghiên cứu 9
III Nội dung và phạm vi nghiên cứu 10
IV Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 10
V Kết cấu của luận văn 11
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG NƯỚC VÀ MỘT SỐ CÔNG CỤ TRỢ GIÚP QUÁ TRÌNH RA QUYẾT ĐỊNH QUẢN LÝ QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG NƯỚC 12
1.1 Tổng quan về chất lượng nước và tầm quan trọng của nước về KT - XH - MT.12 1.1.1 Chất lượng nước và tầm quan trọng của nước 12
1.1.2 Hiện trạng chất lượng nước tại các lưu vực sông Việt Nam 14
1.1.3 Nguyên nhân suy thoái khối lượng và chất lượng nước tại các lưu vực sông 19 1.1.4 Hậu quả của ô nhiễm nguồn nước 20
1.2 Quản lý lưu vực sông và một số mô hình hóa hỗ trợ công tác quản lý lưu vực sông 21
1.2.1 Khái niệm chung về quản lý lưu vực sông 21
1.2.2 Một số chương trình quản lý lưu vực sông điển hình 23
1.2.3 Một số mô hình hỗ trợ trong quản lý môi trường, chất lượng nước 26
1.3 Giới thiệu về sông Đào - Nam Định 32
1.3.1 Lưu vực sông Đào - Nam Định 32
1.3.2 Nguồn gây ô nhiễm sông Đào - Nam Định 34
1.3.3 Thực trạng quản lý chất, kiểm soát ô nhiễm sông Đào - Nam Định 35
CHƯƠNG II: PHẦN MỀM QUAL2KW VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU37 2.1 Phương pháp nguyên cứu 37
2.1.2 Nguyên tắc phân đoạn sông 37
2.1.3 Cân bằng dòng chảy 39
2.1.4 Đặc điểm thủy lực 39
Trang 52.1.5 Thời gian chảy truyền 41
2.1.6 Lan truyền dọc theo sông 41
2.1.7 Cân bằng nhiệt 42
2.1.8 Cân bằng nồng độ 43
2.1.9 Các phản ứng hóa sinh 43
2.1.10 Biến phức hợp 44
2.1.11 Mối quan hệ giữa các biến của mô hình với dữ liệu 45
2.1.12 Các biến được sử dụng trong mô hình 47
2.2 Cơ sở hiệu chỉnh dữ liệu trong mô hình 49
CHƯƠNG III: ÁP DỤNG MÔ HÌNH QUAL2KW TRONG QUẢN LÝ LƯU VỰC SÔNG ĐÀO – NAM ĐỊNH 52
3.1 Kết quả thu thập dữ liệu và hiệu chỉnh mô hình 52
3.1.1 Thu thập dữ liệu về địa hình, thủy lực, khí tượng thủy văn 53
3.1.2 Tính toán các nguồn nước thải vào sông Đào – Nam Định 57
3.1.3 Chất lượng nước sông Đào - Nam Định tháng 6 năm 2015 61
3.1.4 Các hệ số động học được sử dụng trong mô hình 63
3.2 Kết quả hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước sông 67
3.3 Ứng dụng mô hình QUAL2Kw trong quản lý chất lượng nước lưu vực sông Đào theo các kịch bản 70
3.3.1 Tính toán mô hình hóa cho các kịch bản 72
3.3.2 Kết quả tính toán mô hình cho các kịch bản 76
3.4 Đề xuất giải pháp quản lý 79
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 83
1 Kết luận 83
2 Những khuyến nghị 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO 85
PHỤ LỤC 87
Trang 6DANH M ỤC CHỮ VIẾT TẮT
BOD5 Nhu cầu oxy hóa sinh học
KT-XH-MT Kinh tế - Xã hội - Môi trường
TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam
TN&MT Tài nguyên và môi trường
Trang 7Hình 1.7 Sơ đồ vị trí sông Đào - Nam Định
Hình 2.1 Cách phân đoạn của QUAL2Kw cho sông đơn
Hình 2.2 Chia đoạn sông thành các phần tử
Hình 2.3 Cân bằng dòng chảy
Hình 2.4 Mặt cắt hình thang
Hình 2.5: Cân bằng nhiệt của đoạn sông i
Hình 2.6 Cân bằng khối lượng
Hình 2.7 Mô hình động lượng và quá trình lan truyền chất
Hình 3.1 Các đoạn sông
Hình 3.2 Nguồn nước chảy vào và ra khỏi đoạn sông
Hình 3.3 Kết quả mô phỏng nhiệt độ và kết quả đo thực
Hình 3.4 Kết quả mô phỏng DO và kết quả đo thực
Hình 3.5 Kết quả mô phỏng NH4 và kết quả đo thực
Hình 3.6 Kết quả mô phỏng BOD5 và kết quả đo thực
Hình 3.7 Kết quả tính DO theo kịch bản
Hình 3.8 Kết quả BOD5 theo kịch bản
Hình 3.9 Kết quả NH4+ theo kịch bản
Trang 8DANH M ỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Các biến trong mô hình QUAL2Kw
Bảng 3.1 Các dữ liệu về địa hình, thủy lực
Bảng 3.2 Thông số các đoạn sông
Bảng 3.3 Thống số khí tượng qua các năm
Bảng 3.4 Chất lượng nước ranh giới thượng nguồn
Bảng 3.5 Vị trí các nguồn thải so với cuối đoạn sông
Bảng 3.6 Lượng nước thải sinh hoạt thải vào đoạn sông
Bảng 3.7: Nồng độ các chất ô nhiễm của các nguồn thải
Bảng 3.8 Chất lượng nước thải KCN 2015
Bảng 3.9 Chất lượng nước mặt LVS Đào – Nam Định
Bảng 3.10 Lượng nước thải sinh hoạt thải vào đoạn sông
Bảng 3.11 Các hệ số động học
Bảng 3.12 Giá trị tính toán RMSE và sai số giữa mô hình và thực tế
Bảng 3.13 Lượng nước thải sinh hoạt thải vào đoạn sông
Bảng 3.14 Nồng độ các chất ô nhiễm của các nguồn thải
Bảng 3.15 Chất lượng nước thải KCN 2015
Bảng 3.16 Lượng nước thải sinh hoạt thải vào đoạn sông giai đoạn 2030
Bảng 3.17 Nồng độ các chất ô nhiễm của các nguồn thải trong giai
đoạn 2030
Bảng 3.18 Chất lượng nước thải theo kịch bản 3 và 4
Trang 9L ỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật chuyên ngành Quản lý tài nguyên và Môi tường
với đề tài “Nghiên cứu sử dụng phần mềm QUAL2Kw trong quản lý chất lượng nước một lưu vực sông” là kết quả của quá trình cố gắng không ngừng của bản thân
và được sự giúp đỡ, động viên khích lệ của các thầy, bạn bè đồng nghiệp và người thân Qua trang viết này tôi xin gửi lời cảm ơn tới những người đã giúp đỡ tôi trong
thời gian học tập - nghiên cứu khoa học vừa qua
Tôi xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đối với Thầy giáo TS Trịnh Thành đã trực tiếp tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu cần thiết cho luận văn này
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, Lãnh đạo trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt Luân văn của mình
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, đơn vị công tác đã giúp
đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện Luận văn
Hà N ội, ngày 13 tháng 09 năm 2018
Trang 10M Ở ĐẦU
Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá cho sự sống của loài người, là nhân tố quan trọng tác động trực tiếp hoặc gián tiếp lên hầu hết các lĩnh vực kinh tế,
xã hội: từ nông nghiệp, công nghiệp, du lịch đến các vấn đề về sức khỏe
Cùng với sự phát triển kinh tế như hiện nay, nước không chỉ là sự sống còn
của riêng một quốc gia mà còn là vấn đề của tất cả các tập thể, cá nhân, mọi vùng,
mọi khu vực ở khắp nơi trên trái đất Song song với sự phát triển về kinh tế thì con người càng ngày thải ra nhiều chất thải vào môi trường làm cho chúng bị suy thoái
và ô nhiễm nặng nề, ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe cộng đồng mà trong đó
chất lượng nước là mối quan tâm hàng đầu, cùng với đó thì việc sử dụng tài nguyên nước một cách không hợp lý đã dẫn tới nhiều hậu quả nghiêm trọng ảnh hưởng đến môi trường sống của con người và toàn bộ sinh vật trên trái đất Có quản lý tốt,
kiểm soát được nguồn nước sử dụng đầu vào thì ta mới có thể làm giảm bớt và khắc
phục tình trạng nước bị ô nhiễm
Hiện nay, phần lớn chất lượng nước mặt các con sông, suối, ao hồ nói chung
tại Việt Nam đã và đang có dấu hiệu suy giảm về chất lượng, nguyên nhân của sự suy giảm này chủ yếu do các hoạt động của con người gây ra Do đó, cần có sự đánh giá mô phỏng chất lượng nước mặt thời điểm hiện tại và tương lai để có thể có các biện pháp giảm thiểu các tác động gây ô nhiễm tới chất lượng nước
Sự mô phỏng chất lượng nước bằng công cụ toán học là một nhánh khoa học đang phát triển, đạt được thành công lớn trong những năm gần đây Các mô hình toán học là công cụ cơ bản cho tính toán định lượng cũng như áp dụng vào thực tế khi nghiên cứu mô phỏng chất lượng nước kênh, sông Để có thể quản lý tốt chất lượng nước cần phải đưa ra dự báo các tình huống, diễn biến chất lượng nước theo
từng thời điểm, vị trí, các sự cố nguy hiểm có thể xảy ra hiện tại cũng như trong tương lai Công tác dự báo chính xác cần phải có mô hình đúng, từ đó mới đưa ra các kết quả dự báo chính xác tương ứng với các kịch bản có thể xảy ra Trong thực
tế, các kết quả thực nghiệm trực tiếp với các kênh sông tự nhiên được sử dụng để
Trang 11hiệu chỉnh các thông số của mô hình và đánh giá sự tương hợp của mô hình Trên
cơ sở mô hình đúng, bài toán quản lý sẽ đưa ra các phương hướng, giải pháp tốt
nhất theo hướng các kết quả dự báo tương ứng với các kịch bản
Để mô phỏng chất lượng nước kênh sông cần phải giải quyết bài toán dòng
chảy trong hệ thống kênh sông cùng bài toán lan truyền chất Các bài toán lan truyền chất ô nhiễm được xác định bởi các hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng
mô tả các định luật vật lý cơ bản Các phương trình này mô tả sự di chuyển lưu chất trên kênh sông và sự lan truyền những chất hòa tan khác nhau
Mô hình QUAL2Kw là mô hình chất lượng nước sông tổng hợp được phát triển do sự hợp tác giữa trường Đại học Tufts University và Trung tâm mô hình chất lượng nước của Cục môi trường Mỹ Mô hình này được sử dụng rộng rãi để dự đoán hàm lượng tải trọng của các chất thải cho phép thải vào sông Chính vì vậy tôi
lựa chọn đề tài “Nghiên cứu sử dụng phần mềm QUAL2Kw trong quản lý chất lượng nước một lưu vực sông” để góp phần vào công tác quản lý và sử dụng bền
vững nguồn tài nguyên nước mặt tại LVS nói chung và áp dụng thực tế tại LVS Đào
tỉnh Nam Định nói riêng
Nghiên cứu, đánh giá, áp dụng phần mềm QUAL2Kw trong trong quản lý
một lưu vực sông
2.2 M ục tiêu cụ thể
- Tìm hiểu, đánh giá về phần mềm QUAL2Kw
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết, thuật toán trong phần mềm
- Áp dụng phần mềm, mô phỏng chất lượng nước trong lưu vực sông Đào – sông Nam Định, tỉnh Nam Định
- Đánh giá chất lượng nước mặt tại lưu vực sông Đào - Nam Định
- Đánh giá các nguồn gây ô nhiễm nước mặt
- Đề xuất giải pháp nhằm quản lý nguồn nước mặt thông qua mô hình
Trang 122.3 Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp mô hình hóa bằng phần mềm QUAL2Kw để tính toán, mô
phỏng chất lượng nước
- Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu
- Phương pháp đánh giá
- Nghiên cứu mô hình QUAL2Kw
- Ứng dụng mô hình QUAL2Kw để tính toán, mô hình hóa chất lượng nước
mặt sông Đào theo không gian và theo các kịch bản quản lý
- Hiện trạng chất lượng nước sông Đào
- Tầm quan trọng của nguồn nước sông Đào về KT-XH-MT
- Những bất cập trong quản lý (pháp luật, chính sách, nhận thức của người dân v.v…) khai thác, sử dụng nguồn nước dẫn đến xuống cấp cả về chất lượng, khối lượng nước
-Phạm vi nghiên cứu: Để có cơ sở đánh giá chất lượng nước mặt tỉnh Nam Định và đưa ra các biện pháp quản lý, trong phạm vi đề tài chọn sông Đào tỉnh Nam Định làm đối tượng nghiên cứu, trong đó sẽ tập trung nghiên cứu mô hình hóa cho
một đoạn sông Các thông số chất lượng chủ yếu được nghiên cứu và đánh giá: DO, BOD, COD, Nitơ, pH, Coliform, …
Trang 13- Cung cấp thông tin về hiện trạng chất lượng nước sông Đào
- Nâng cao nhận thức và vai trò của cộng đồng trong việc quản lý và sử dụng
hợp lý tài nguyên nước
- Cung cấp giải pháp hữu hiệu về quản lý tài nguyên và môi trường
Lu ận văn được trình bày ngoài các phần Mở đầu, Kết luận và Tài liệu tham
kh ảo luận văn có 3 chương chính như sau:
Chương I: Tổng quan về hiện trạng môi trường nước và một số công cụ trợ giúp quá trình ra quyết định quản lý chất lượng nước
Chương II: Mô hình QUAL2Kw và phương pháp nghiên cứu
Chương III: Áp dụng mô hình QUAL2Kw trong quản lý lưu vực sông Đào – Nam Định
Trang 14CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG NƯỚC VÀ
1.1 Tổng quan về chất lượng nước và tầm quan trọng của nước về KT - XH -
MT
1.1.1 Chất lượng nước và tầm quan trọng của nước
Cũng như không khí và ánh sáng, nước không thể thiếu được trong đời sống con người Trong quá trình hình thành sự sống trên Trái đất thì nước và môi trương nước đóng vai trò quan trọng Nước tham gia vào vai trò tái sinh thế giới hữu cơ, tham gia vào quá trình trao đổi chất Những phản ứng lý hóa học diễn ra với sự tham gia bắt buộc của nước Nước là dung môi của nhiều chất và đóng vai trò dẫn trong quá trình sinh trưởng và phát triển của hệ sinh vật
Nước còn đóng vai trò là nhân tố quan trọng tác động trực tiếp hoặc gián tiếp lên hầu hết các lĩnh vực kinh tế, xã hội: từ nông nghiệp, công nghiệp, du lịch đến các vấn đề về sức khỏe
- Nhu cầu về nước trong công nghiệp:
Sự phát triển càng ngày càng cao của nền công nghiệp trên toàn thế giới càng làm tăng nhu cầu về nước, đặc biệt đối với một số ngành sản xuất như chế biến thực phẩm, dầu mỏ, giấy, luyện kim, hóa chất , chỉ 5 ngành sản xuất này đã
tiêu thụ ngót 90% tổng lượng nước sử dụng cho công nghiệp Ví dụ: cần 1.700 lít nước để sản xuất một thùng bia chừng 120 lít, cần 3.000 lít nước để lọc một thùng dầu mỏ chừng 160 lít, cần 300.000 lít nước để sản xuất 1 tấn giấy hoặc 1,5 tấn thép, cần 2.000.000 lít nước để sản xuất 1 tấn nhựa tổng hợp [6]
- Nhu cầu về nước trong nông nghiệp:
Sự phát triển trong sản xuất nông nghiệp như sự thâm canh tăng vụ và mở rộng diện tích đất canh tác cũng đòi hỏi một lượng nước ngày càng cao Người ta ước tính được mối quan hệ giữa lượng nước sử dụng với lượng sản phẩm thu được trong quá trình canh tác như sau: để sản xuất 1 tấn lúa mì cần đến 1.500 tấn nước, 1 tấn gạo cần đến 4.000 tấn nước và 1 tấn bông vải cần đến 10.000 tấn nước Dự báo
Trang 15nhu cầu về nước trong nông nghiệp đến năm 2000 sẽ lên tới 3.400 km3/năm, chiếm 58% tổng nhu cầu về nước trên toàn thế giới [6]
- Nhu cầu về nước sinh hoạt và giải trí:
Theo ước tính thì các cư dân sinh sống kiểu nguyên thủy chỉ cần 5 - 10 lít nước/ người/ ngày Ngày nay, do sự phát triển của xã hội loài người ngày càng cao nên nhu cầu về nước sinh hoạt và giải trí ngày cũng càng tăng theo nhất là ở các thị trấn và ở các đô thị lớn, nước sinh hoạt tăng gấp hàng chục đến hàng trăm lần nhiều hơn Theo sự ước tính đó thì đến năm 2000, nhu cầu về nước sinh hoạt và giải trí sẽ tăng gần 20 lần so với năm 1900, tức là chiếm 7% tổng nhu cầu nước trên thế giới [6]
Ngoài ra, còn rất nhiều nhu cầu khác về nước trong các hoạt động khác của con người như giao thông vận tải, giải trí ở ngoài trời như đua thuyền, trượt ván, bơi lội nhu cầu này cũng ngày càng tăng theo sự phát triển của xã hội
- Tình trạng ô nhiễm nước trên thế giới
Trong thập niên 60, ô nhiễm nước lục địa và đại dương gia tăng với nhịp độ đáng lo ngại Tiến độ ô nhiễm nước phản ánh trung thực tiến bộ phát triển kỹ nghệ Ví dụ như nước Anh: Ðầu thế kỷ 19, sông Tamise rất sạch Nó trở thành ống cống lộ thiên vào giữa thế kỷ này Các sông khác cũng có tình trạng tương tự trước khi người ta đưa ra các biện pháp bảo vệ nghiêm ngặt Nước Pháp rộng hơn, kỹ nghệ phân tán và nhiều sông lớn, nhưng vấn đề cũng không khác bao nhiêu Dân Paris còn uống nước sông Seine đến cuối thế kỷ 18 Từ đó vấn đề đổi khác: các sông lớn và nước ngầm nhiều nơi không còn dùng làm nước sinh hoạt được nữa, 5.000 km sông của Pháp bị ô nhiễm mãn tính Sông Rhin chảy qua vùng kỹ nghệ hóa mạnh, khu vực có hơn 40 triệu người, là nạn nhân của nhiều tai nạn (như nạn cháy nhà máy thuốc Sandoz ở Bâle năm 1986) thêm vào các nguồn ô nhiễm thường xuyên
Tại Trung Quốc: Vụ nổ tại nhà máy hóa dầu ở Thành phố Cát Lâm (13/1/2005) gây ô nhiễm nghiêm trọng sông Tùng Hoa với chất benzen, nồng độ ô nhiễm vượt quy chuẩn cho phép đến 50 lần [6]
Trang 161.1.2 Hiện trạng chất lượng nước tại các lưu vực sông Việt Nam
Theo Luật tài nguyên nước Việt Nam được ban hành năm 2012, LVS được
hiểu là vùng đất mà trong phạm vi đó nước mặt, nước dưới đất chảy tự nhiên vào sông và thoát ra một cửa chung hoặc thoát ra biển Lưu vực sông gồm có lưu vực sông liên tỉnh và lưu vực sông nội tỉnh
Nước ta có địa hình đồi núi chiếm đến 3/4 diện tích lãnh thổ, tập trung phần
lớn ở vùng Đông Bắc, Tây Bắc và miền Trung, phần diện tích còn lại là châu thổ và đồng bằng phù sa, chủ yếu là ở Đồng bằng sông Hồng và Đồng bằng sông Cửu Long Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, mặc dù lượng mưa trung bình nhiều năm trên toàn lãnh thổ vào khoảng 1.940 mm/năm nhưng do ảnh hưởng
của địa hình đồi núi, lượng mưa phân bố không đều trên cả nước và biến đổi mạnh theo thời gian đã và đang tác động lớn đến trữ lượng và phân bố tài nguyên nước ở
Việt Nam
Việt Nam có hơn 2.360 con sông có chiều dài từ 10 km trở lên, trong đó có
109 sông chính Toàn quốc có 16 LVS với diện tích lưu vực lớn hơn 2.500 km2
, 10/16 lưu vực có diện tích trên 10.000 km2
Tổng diện tích các LVS trên cả nước lên đến trên 1.167.000 km2, trong đó, phần lưu vực nằm ngoài diện tích lãnh thổ chiếm đến 72% [6]
Việt Nam là quốc gia có hệ thống sông ngòi dày đặc với tổng lượng dòng chảy nước mặt hàng năm lên đến 830 - 840 tỷ m3/năm [6] Tuy nhiên, Việt Nam không phải là quốc gia giàu về nước Tài nguyên nước của nước ta phụ thuộc nhiều vào các nước có chung nguồn nước phía thượng lưu, với gần 2/3 tổng lượng nước mặt hàng năm là từ ngoài biên giới chảy vào Chất lượng nước mặt của Việt Nam đang có chiều hướng ngày càng bị suy thoái, ô nhiễm, cạn kiệt bởi nhiều nguyên nhân Trong đó, sự gia tăng dân số, gia tăng nhu cầu về nước do gia tăng chất lượng cuộc sống, đô thị hoá cũng như quản lý, bảo vệ, khai thác, sử dụng tài nguyên nước kém hiệu quả, thiếu bền vững đang là mối đe dọa an ninh nguồn nước và có nguy
cơ sẽ kéo theo nhiều hệ luỵ khó lường
Trang 17Chất lượng các nguồn nước mặt đang suy giảm rõ rệt Nhiều sông, hồ, kênh, rạch ở các thành phố lớn, các khu dân cư tập trung đang dần biến thành nơi chứa các chất thải đô thị, chất thải công nghiệp chưa qua xử lý Ở khu vực nông thôn, tình trạng ô nhiễm môi trường nước mặt từ nguồn nước thải sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp, chăn nuôi và sản xuất của các làng nghề cũng đang cần sự quan tâm kịp thời
Tại các LVS, ô nhiễm và suy thoái chất lượng nước tiếp tục xảy ra ở nhiều đoạn, tập trung ở vùng trung lưu và hạ lưu (đặc biệt là các đoạn chảy qua khu vực
đô thị, khu công nghiệp, làng nghề), nhiều nơi ô nhiễm đã ở mức nghiêm trọng, như
ở LVS Nhuệ - Đáy, LVS Cầu, LVHTS Đồng Nai Mức độ ô nhiễm phụ thuộc vào
yếu tố thủy văn của dòng chảy (mức độ ô nhiễm thường tăng cao hơn vào mùa khô)
và đặc biệt phụ thuộc vào việc kiểm soát các nguồn thải đổ vào nguồn nước
Môi trường nước mặt tại các khu vực bị ô nhiễm hầu hết do các chất hữu cơ
và vi
sinh vật vượt ngưỡng cho phép; tình trạng ô nhiễm hữu cơ diễn ra khá phổ biến tại nhiều LVS Vấn đề ô nhiễm dầu mỡ thường chỉ xảy ra ở những đoạn sông có hoạt động giao thông thủy phát triển, hoặc những đoạn sông tiếp nhận nước thải công nghiệp của các cơ sở sản xuất, các khu vực cảng… Ô nhiễm kim loại nặng mang tính cục bộ, tập trung chủ yếu ở những sông nhánh gần các khu vực khai thác khoáng sản hoặc các cơ sở sản xuất công nghiệp So với giai đoạn trước, chất lượng nước mặt tại một số khu vực đã có sự cải thiện do việc thực hiện các dự án đầu tư
cải thiện môi trường, tăng cường quản lý và việc thực hiện các đề án BVMT, đầu tư nâng cấp, cải thiện cảnh quan môi trường một số sông hồ, kênh rạch trong nội thành các đô thị lớn như Tp Hồ Chí Minh và Hà Nội Qua số liệu thống kê trong báo cáo môi trường Quốc gia giai đoạn 2011 - 2015, ta có thể nhận thấy diễn biến chất lượng nước của nước ta qua một số lưu vực sông điển hình như sau [1] :
Trang 18Hình 1.1 Diễn biến giá trị COD trên sông Kỳ Cùng và phụ lưu
trong giai đoạn 2011 -2015 [1]
Hình 1.2 Diễn biến giá trị COD trên sông khác thuộc LVS Hồng - Thái Bình trong
giai đoạn 2011 -2015[1]
Trang 19Hình 1.3 Diễn biến tỷ lệ vượt chuẩn của một số thông số trong nước mặt trên LVS
Cầu giai đoạn 2011 - 2015 [1]
Hình 1.4 Diễn biến hàm lượng Amoni sông Sài Gòn giai đoạn 2011 - 2015
Trang 20Hình 1.5 Diễn biến hàm lượng DO trên sông Sài Gòn giai đoạn 2011 - 2015 [1]
Hình 1.6 Diễn biến hàm lượng COD trong nước mặt thuộc LVS Mê Công
giai đoạn 2011 - 2014 [1]
Trang 21Tài nguyên nước ở nước ta được sử dụng chủ yếu phục vụ sản xuất nông nghiệp, ngư nghiệp, cấp nước cho sinh hoạt, thuỷ điện và công nghiệp:
- Tài nguyên nước sử dụng cho nông nghiệp: Bao gồm nước tưới cho đất nông nghiệp, cho chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản
- Tài nguyên nước sử dụng sản xuất điện: Nước ta có tiềm năng thủy điện dồi dào, với hơn 2.000 sông suối lớn, nhỏ phân bố trên khắp lãnh thổ
- Tài nguyên nước sử dụng cung cấp cho sản xuất công nghiệp và dân cư: Sử dụng nước cho sinh hoạt được xem xét ở hai khu vực là thành thị và nông thôn
- Tài nguyên nước sử dụng cho giao thông vận tải: Trong giao thông vận tải cũng cần sử dụng một lượng nước tương đối lớn cho các công việc như: nước rửa đường, tưới cây, rửa phương tiện giao thông, nước làm mát…
Nước dùng trong sinh hoạt của dân cư ngày càng tăng nhanh do tăng dân số
và các đô thị Nước cống từ nước thải sinh hoạt cộng với nước thải của các cơ sở tiểu thủ công nghiệp trong khu dân cư là đặc trưng ô nhiễm của các đô thị ở nước ta
Nhận thức của nhiều cơ quan quản lý, tổ chức và cá nhân có trách nhiệm về nhiệm
vụ bảo vệ môi trường nước chưa sâu sắc và đầy đủ, chưa thấy rõ ô nhiễm môi trường nước là loại ô nhiễm gây nguy hiểm trực tiếp, hàng ngày và khó khắc phục đối với đời sống con người cũng như sự phát triển bền vững của đất nước
- Theo các chuyên gia môi trường, ngoài nguyên nhân gây ô nhiễm nước tự
nhiên do mưa lũ, gió bão thì ở nước ta, nguyên nhân chính gây ô nhiễm nguồn nước
là nước thải sinh hoạt, y tế, công nghiệp và nông nghiệp Các nguồn thải này hiện nay đang có xu hướng gia tăng cả về số lượng và quy mô do không kiểm soát được nguồn gây ô nhiễm
Trang 22- Sự hạn chế, bất cập của cơ chế, chính sách, pháp luật về bảo vệ môi trường
và việc tổ chức thực hiện của các cơ quan chức năng Mặc dù Việt Nam đã có một
số luật như Luật Bảo vệ Môi trường 2005 và hiện nay là Luật Bảo vệ Môi trường 2014; Luật Tài nguyên nước sửa đổi 2012 cùng với các văn bản hướng dẫn thực
hiện cụ thể đã được đưa ra như: Nghị định số 19/NĐ-CP ngày 14 tháng 02 năm
2015 quy định chi tiết thi hành một số điều Luật Bảo vệ Môi trường, Nghị định số 38/2015/NĐ-CP ngày 24 tháng 04 năm 2015 về quản lý chất thải và phế liệu; ngoài
ra Bộ Tài nguyên và môi trường cũng đã ban hành các Thông tư BTNMT về cải tạo, phục hồi môi trường trong khai thác khoáng sản và một số nghị định liên quan đến kiểm soát ô nhiễm nguồn nước
38/2015/TT-Nhìn chung với hệ thống pháp luật trong bảo vệ tài nguyên nước, quản lý nước thải đã được ban hành và khá hoàn thiện, việc triển khai, tuân thủ trên thực
tiễn đã có nhiều tiến bộ, phù hợp xu thế phát triển kinh tế - xã hội của đất nước
Tuy nhiên, những quy định chun vẫn chưa được cụ thể, xác định rõ trách nhiệm, trong khi tình trạng ô nhiễm nước ở Việt Nam chưa được ngăn ngừa một cách bài bản Đã có yêu cầu sử dụng mô hình trong công tác đánh giá sức tải nhưng
vẫn chưa thật sự cụ thể
- Các cấp chính quyền chưa nhận thức đầy đủ và quan tâm đúng mức đối với công tác bảo vệ môi trường, dẫn đến buông lỏng quản lý, thiếu trách nhiệm trong
việc kiểm tra, giám sát về môi trường
- Công tác tuyên truyền, giáo dục về bảo vệ môi trường trong xã hội còn hạn
chế, dẫn đến chưa phát huy được ý thức tự giác, trách nhiệm của các tổ chức, cá nhân, cộng đồng trong việc tham gia gìn giữ và bảo vệ môi trường nói chung và nguồn tài nguyên nước nói riêng
Nước là nguồn tài nguyên quan trọng để duy trì sức khỏe con người và hàng ngày mỗi người cần có từ 20 - 40 lít nước không ô nhiễm để thỏa mãn nhu cầu cơ
bản (ăn uống, vệ sinh) và khoảng 50 lít nước nếu cả tắm và nhu cầu bếp núc Do đó, khi nguồn nước bị ô nhiễm sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của con người
Trang 23- Bệnh liên quan đến nước: Về tổng thể bệnh liên quan đến nước là một nguyên nhân hàng đầu dẫn đến tử vong hoặc ốm đau ở rất nhiều nơi thuốc các nước đang phát triển Các bệnh liên quan đến nước được gây ra bởi dung nguồn nước ô nhiễm do chất thải con người và động vật chứa những ký sinh trùng, vi khuẩn hoặc
vi rút gây bệnh
- Ô nhiễm hóa chất: Một loạt các căn bệnh khác đã tác động lên các nước đang phát triển cũng như các nước công nghiệp là do phản ứng với ô nhiễm nước do hóa chất như kim loại, chất độc và các hợp chất tổng hợp khó phân hủy Việc nhiễm các hóa chất có trong nước liên quan đến nhiều bệnh kinh liên bao gồm ung thư, tổn thương phổi và đẻ non… Một số hóa chất như PCB, DDT, dioxin và ít nhất 80 chất bảo vệ thực vật được coi là “hủy diệt nội tạng” là những hóa chất có thể can thiệp vào sinh lý tự nhiên của con người làm giảm sức đề kháng bệnh tật và tác động đến sức khỏe sinh sản
- Vệ sinh và cung cấp nước sạch: Vệ sinh và cung cấp nước sạch đang bị cản
trở do ô nhiễm môi trường nước
Như vậy, hiện nay, một số khu vực trên lãnh thổ Việt Nam đang phải đối mặt
với sự thiếu nước và ô nhiễm nguồn nước Cùng với quá trình phát triển kinh tế
mạnh mẽ thì nhu cầu sử dụng nước trong tương lai tăng, do đó, sự thiếu hụt càng
trầm trọng hơn Điều đó cho thấy việc quản lý bền vững nguồn tài nguyên nước và đảm bảo chất lượng nước tốt là yêu cầu rất cần thiết đối với Việt Nam
vực sông
Quản lý lưu vực sông là công tác nghiên cứu đặc tính của lưu vực nhằm mục đích phân loại mức độ bền vững và ảnh hưởng của các công trình, dự án đến chức năng của lưu vực tác động đến thảm thực vật, động vật và con người trong ranh giới lưu vực Các thông số đánh giá bao gồm nguồn nước cấp, chất lượng nước, tháo nước qua kênh dẫn, nước mưa, luật pháp và công tác quy hoạch và sử dụng lưu vực Người sử dụng đất, chính sách sử dụng đất, các chuyên gia quản lý nước mặt, các
Trang 24nhà hoạt động môi trường, các nhà đánh giá và cộng đồng sử dụng nước đóng một vai trò thiết yếu trong công tác quản lý lưu vực sông (wikipedia)
Trong nhịp độ phát triển ngày nay, các lưu vực sông ở hầu hết các khu vực trên thế giới đều phải chịu áp lực rất lớn của các hoạt động phát triển kinh tế xã hội,
nhất là các tác động lên bề mặt lưu vực do gia tăng tốc độ khai thác sử dụng tài nguyên tự nhiên, đặc biệt là sự phá rừng lấy gỗ, lấy đất canh tác, sự gia tăng các
chất thải làm suy giảm chất lượng nước do gia tăng tốc độ đô thị hóa và công nghiệp hoá Một số lưu vực sông đã và đang bị suy thoái trầm trọng và ngày càng
xa với các điều kiện bền vững khiến cho năng lực của dòng sông ngày càng giảm sút, gia tăng các mâu thuẫn trong sửdụng nước giữa các ngành dùng nước khác nhau cũng như giữa thượng lưu và hạ lưu Có thể thấy rõ một thực tế là các lưu vực sông ngày nay đáp ứng ngày càng khó khăn hơn các nhu cầu xã hội khác nhau, bao
gồm nhu cầu cơ bản của con người như nước dùng cho sinh hoạt, nước cho các hoạt động sản xuất, và cũng vì thế ngày nay càng cần phải tăng cường hoạt động quản
lý lưu vực sông
Mục đích của quản lý lưu vực sông Theo quan điểm của phát triển bền vững thì quản lý lưu vực sông có ba mục đích chủ yếu sau:
- Bảo vệ các các chức năng của sông và lưu vực sông;
- Quản lý và sử dụng bền vững tài nguyên nước trong mối quan hệ với đất và các tài nguyên sinh thái khác;
- Hạn chế suy thoái và duy trì môi trường của sông và lưu vực sông bền vững cho các thế hệ hiện tại và tương lai
Việc thực hiện quản lý lưu vực sông sẽ giúp cho con người có thể quản lý
bảo vệ các chức năng của hệ sinh thái trên cạn và dưới nước, bảo vệ toàn bộ năng
suất của các nguồn tài nguyên trong một thời gian lâu dài, bảo vệ và cải thiện chất lượng môi trường của lưu vực sông không cho nó suy thoái Đồng thời, trong quản
lý lưu vực sông ngoài quản lý tài nguyên nước, các hoạt động quản lý còn phải vươn rộng hơn sang các tài nguyên liên quan khác như tài nguyên đất, rừng, quản lý
và bảo vệ các hệ sinh thái lưu vực, quản lý các hoạt động của con người trên lưu
Trang 25vực có ảnh hưởng đến các tài nguyên như là việc định cư dân số, phát triển đô thị, công nghiệp, nông nghiệp
Quản lý LVS là một vấn đề đã được thực hiện ở nhiều quốc gia trên thế giới trong nửa cuối thế kỷ 20 và phát triển mạnh trong những thập kỷ gần đây nhằm đối phó với sự khan hiếm nước, sự gia tăng ô nhiễm nước, sự suy thoái các nguồn tài nguyên thiên nhiên và ảnh hưởng của biến đổi khí hậu Nhiều nước, đặc biệt là các nước phát triển như các nước châu Âu, Mỹ, Pháp, Úc, Trung Quốc, Nhật Bản,… đã
sử dụng nhiều mô hình tổ chức quản lý LVS rất đáng để học tập kinh nghiệm
Pháp là một quốc gia có điều kiện kinh tế - xã hội phát triển, vấn đề chất lượng và số lượng tài nguyên nước đã được qua tâm từ rất sớm (Ban hành Luật nước năm 1964) Dựa vào 6 sông lớn, ở Pháp đã ghép một số sông nhỏ gần 6 sông lớn thành 6 lưu vực sông và lấy việc quản lý thống nhất theo 6 LVS này làm nền tảng của việc quản lý nước Ở mỗi cấp lưu vực có Uỷ ban Lưu vực và Cơ quan quản
lý lưu vực [5]:
Việc áp dụng hệ thống quản lý này đã giúp tiết kiệm được TNN đáng kể, trong dó các Uỷ ban LVS và cơ quan quản lý lưu vực sông đóng vài trò trong
6 Ủy ban lưu vực
6 Cơ quan quản lý lưu vực
Trang 26việc quản lý chung về chất lượng và số lượng nước và hệ sinh thái Sử dụng các công cụ kỹ thuật và công cụ khoa học kỹ thuật hện đại, áp dụng các công cụ kinh tế thu phí, giá, thuế là công cụ nhằm đảm bảo sử dụng nước tiết kiệm Qua đó, chất gây ô nhiễm thải vào nguồn nước được quản lý chặt chẽ, chất lượng nước cấp nâng cao đáng kể, cảnh quan mặt nước sông hồ được cải thiện,
Mô hình quản lý theo các uỷ ban LVS song song với Cục quản lý nước
đã được thực hiện tại Pháp từ những năm 1960 là một ví dụ điển hình chứng minh xu hướng tổ chức quản lý theo LVS là hệu quả và phù hợp cho đến ngày nay
Trong bối cảnh phát triển kinh tế - xã hội, dân số, công nghiệp, nông nghiệp nhanh chóng đã gây áp lực lớn đến các con sông tại quốc gia này Chất lượng nước sông bị ô nhiễm nghiêm trọng, nhu cầu sử dụng nước trong lưu vực lớn nhưng lưu lượng nước tương đối nhỏ Đối mặt với những thách thức TNN,
Ủy ban bảo tồn sông đã được thành lập có nhiệm vụ quản lý toàn diện LVS
Đến nay, ở Trung Quốc hiện có 7 Ủy ban quản lý LVS, nhưng chỉ có duy nhất Ủy ban sông Hoàng Hà quản lý trực tiếp toàn lưu vực với ba nhiệm vụ cơ bản là quản lý vùng hạ lưu, quản lý lũ, quản lý và phân phối nguồn nước [5] Nhiệm vụ của ủy ban gồm:
+ Thực thi, hướng dẫn và giám sát việc thi hành các luật và quy định (luật Nước, luật Bảo vệ đất và nước) trong phạm vi lưu vực;
+ Xây dựng các chính sách, kế hoạch chiến lược, các chương trình trung
và dài hạn về phát triển TNN trên toàn lưu vực;
+ Cùng với các cơ quan và các chính quyền địa phương, xây dựng quy hoạch tổng thể và các quy hoạch chuyên ngành có liên quan nhằm quản lý thống nhất TNN, quan trắc và đánh giá TNN trên lưu vực;
+ Hướng dẫn và điều phối các lĩnh vực: bảo vệ TNN, quản lý sông hồ và vùng cửa sông, phòng chống lũ lụt; điều phối giải quyết các tranh chấp về nước
Trang 27giữa các ngành và các địa phương, hướng dẫn và quản lý tổng thể các khu vực bị xói mòn nặng, chỉ đạo công tác bảo vệ chống xói mòn của các địa phương; kiểm tra các dự án kỹ thuật do trung ương và địa phương đầu tư;
- Tại Australia:
Để quản lý LVS Murray - Darling [5] là một trong những con sông lớn trên thế giới với diện tích lưu vực khoảng 1 triệu km2, Một mô hình quản lý đã được thành lập vào năm 1985 bao gồm một hội đồng, một ủy ban và nhiều nhóm đại diện cho các cộng đồng Cơ cấu này tạo nên một diễn đàn để hoạch định các chính sách và chiến lược trong việc chia sẻ nguồn nước và quản lý những vấn đề nghiêm trọng về môi trường trong lưu vực
Chức năng của hội đồng là: Xem xét các vấn đề về chính sách liên quan đến lợi ích chung của chính quyền và các bang trong quy hoạch và quản lý nhằm
sử dụng hiệu quả và bền vững các nguồn TNN, đất và môi trường của lưu vực Murray - Darling; đề xuất và xem xét các biện pháp nhằm sử dụng hiệu quả và
bền vững các tài nguyên đó (Biên bản thỏa thuận lưu vực Murray + Darling,
1992) Là một diễn đàn chính trị, Hội đồng có quyền đưa ra các quyết định liên quan đến toàn lưu vực thông qua quyết định đồng thuận Hội đồng dựa vào chính quyền các bang để thi hành các quyết định đó
+ Ủy ban có 4 chức năng chính: (1) tư vấn cho hội đồng về các vấn đề quy hoạch, phát triển và quản lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên trong lưu vực; (2) giúp hội đồng đề ra các giải pháp nhằm sử dụng hiệu quả và bền vững các nguồn tài nguyên thiên nhiên trong lưu vực; (3) điều phối việc thực hiện hoặc khi được hội đồng giao, trực tiếp thực hiện các giải pháp đó; (4) triển khai các chính sách và quyết định của hội đồng
Mô hình quản lý lưu vực Murray - Darling hiện đang hoạt động khá hiệu quả và được nhiều nước coi như là một trong những mô hình mẫu mực cần được học tập
Từ một số quy trình và hệ thống tổ chức quản lý hiện đang được áp dụng trên thế giới, tác giả nhận thấy, chuỗi các bước thực hiện quy trình quản lý chất
Trang 28lượng nước hoặc LVS về cơ bản tương tự nhau Quy trình bắt đầu từ sự xác lập mục tiêu, sử dụng các công cụ kỹ thuật (quan trắc, phân tích, mô hình hóa ) xác định hiện trạng và đánh giá dự báo chất lượng nước, đưa ra quyết định phù hợp, thực thi quyết định và cuối cùng đánh giá lại quy trình thực hiện sau một thời gian thực hiện Các quy trình khác nhau có hướng dẫn chi tiết cụ thể khác nhau để phù hợp đặc trưng riêng của từng LVS, nhưng không có sự khác nhau nhiều giữa các bước thực hiện cơ bản
Chất lượng nước LVS của Việt Nam không phải chất lượng nước tốt (như các nước châu Âu) và mục tiêu của Việt Nam là vừa đảm bảo phát triển KT-XH vừa phát triển bền vững môi trường, nên cần lựa chọn quy trình quản lý chất lượng nước phù hợp, hiệu quả nhưng không đòi hỏi đầu tư kinh tế kỹ thuật quá
cao để đảm bảo tính khả thi trong áp dụng nghiên cứu bước đầu
Bên cạnh đó, bởi quá trình quản lý LVS đòi hỏi quản lý theo một thể thống nhất với khối lượng dữ liệu thông tin rất lớn mà nếu không có công cụ mô hình hóa thì không thể xử lý hết, hơn nữa để có cơ sở đưa quyết định quản lý đúng cần
dự đoán được xu hướng và đánh giá các kịch bản phát triển trong tương lai Như vậy, công cụ mô hình hóa là công cụ kỹ thuật không thể thiếu của quá trình quản
lý LVS Việc lựa chọn một công cụ mô hình phù hợp với quy trình quản lý là điều cần thiết
Mô hình hóa môi trường là cách tiếp cận toán học mô phỏng diễn biến chất lượng môi trường dưới ảnh hưởng của một hoặc tập hợp các nhân tố có khả năng tác
động đến môi trường, dự báo tác động môi trường và kiểm soát các nguồn ô nhiễm
Hiện nay, lực lượng quản lý, nghiên cứu môi trường phải đang đối phó với
một loạt các chất ô nhiễm trải qua sinh học phức tạp và quá trình phi sinh học trong đất, nước mặt, nước ngầm, nước biển, và không khí của sinh quyển Do đó, mô hình hóa các hệ thống môi trường quy mô lớn thường là một công việc phức tạp và đầy
thử thách cho các nhà quản lý, nghiên cứu về môi trường Động lực thúc đẩy cho phát
Trang 29triển mô hình môi trường trong ngành Quản lý môi trường có thể có một trong những
ro, ảnh hưởng và rủi ro của hiện tại cũng như đề xuất hóa chất
(3) Để dự đoán nồng độ các chất ô nhiễm môi trường trong tương lai dưới tải
trọng chất thải khác nhau và / hoặc thay thế quản lý
(4) Để đáp ứng yêu cầu quy định và luật định liên quan đến khí thải môi trường, thải, chuyển nhượng, và các phiên bản của các chất ô nhiễm được kiểm soát
(5) Thực hiện trong việc thiết kế, vận hành và tối ưu hóa các lò phản ứng, quy trình, lựa chọn thay thế kiểm soát ô nhiễm, v.v
(6) Để sử dụng trong đánh giá tác động môi trường của các hoạt động và được đề xuất
Trên cơ sở mối quan hệ giữa các quá trình, các yếu tố hình thành và ảnh hưởng đến chất lượng nguồn nước, các mô hình chất lượng nước được chia thành hai loại: Mô hình tính toán sự lan truyền, phân bố các chất ô nhiễm trong dòng chảy
và mô hình mô phỏng sự hình thành chất lượng nước và xu thế biến đổi chất lượng nguồn nước
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
của dòng chảy Việc thiết lập mô hình dựa trên cơ sở giải phương trình tải và tải - phân tán các 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
như các mô hình QualI, II; Stream I, II [10]
Trang 30Mô hình mô phỏng sự hình thành chất lượng nguồn nước, sự hình thành các nguồn gây ô nhiễm (các nguồn thải và tải lượng các chất thải) và sự thay đổi chất lượng nước theo thời gian và không gian Thiết lập trên cơ sở ghép nối các mô hình
thủy lực với mô hình lan truyền chất ô nhiễm trong dòng chảy như WSHMM,
MIKE SYSTEM
Với các mục đích nghiên cứu, mô phỏng trên các đối tượng khác nhau nên các mô hình chất lượng nước rất phong phú và đa dạng Theo hướng dẫn của ngân hàng thế giới (WB) trong lĩnh vực ngăn ngừa và giảm thiểu ô nhiễm đối với các dự
án phát triển thường sử dụng các phần mền sau để tính toán mô phỏng chất lượng
nước
- Mô hình HSPF (Hydrological Simulation Program Fortran (USEPA)
(1984)):
Mô phỏng trong không gian 2 chiều ở trạng thái động lực với các thông số
chất lượng nước: Các chất hoà tan, SS, DO, các chất dinh dưỡng và các loại vi khuẩn chỉ thị Dự báo xu thế thay đổi chất lượng nước trong dòng chảy sau các trận mưa và các thông tin về việc thu nước ở các kênh [10]
- Mô hình SWMM (Storm Water Management Model):
Phát triển trên cơ sở mô hình HSPF [10], tính toán xu thế biến đổi chất lượng nước cho cả một lưu vực sông với các nguồn thải không điểm Mô hình SWMM là
mô hình 1 chiều với trạng thái động lực mô phỏng sự chảy tràn nước mưa qua các vùng đất nông nghiệp và các khu vực đô thị với các thông tin về dòng chảy của các
hệ thống thu gom nước
- Mô hình WAPS (USEPA):
Ghép nối mô hình thuỷ lực (DYNHYD) [10] với mô hình lan truyền chất (WAPS), mô phỏng sự lan truyền và chuyển hóa các chất ô nhiễm trong dòng chảy Tùy theo mục đích, số liệu đầu vào và các thông tin cơ sở về các quá trình chuyển hóa các chất trong dòng chảy, có thể sử dụng để tính toán ở các dạng đơn giản, cải
tiến hay phức tạp
Trang 31- Mô hình MIKE:
Trong những năm 1990 [10], viện thủy lực Đan mạch đã thiết lập hệ thống
mô hình chất lượng nước cho kênh, sông Hệ thống này có thể tính toán sự lan truyền chất ô nhiễm trong dòng chảy từ các nguồn khác nhau vào các lưu vực khác nhau Tùy thuộc đối tượng nghiên cứu, yêu cầu tính toán các thông số chất lượng nước trong dòng chảy sông, cửa sông, hồ hay biển mà áp dụng các phiên bản khác nhau như MIKE 11, MIKE 21, MIKE 3, MIKE SHE, MIKE MOUSE và MIKE BASIN
+ Ưu điểm:
- Là phần mềm thương mại nên phần giao diện rất mạnh, hữu hiệu
- Phần kết nối với công cụ GIS rất mạnh kể cả tạo database (mặc dù phải cần thêm các phần mềm GIS như Arc View, ArcGis,…)
- Các tiện ích đầy đủ, dễ cho người sử dụng
- Thuận tiện cho việc giải quyết các bài toán vừa và nhỏ
lớn hơn biên khi không có nguồn trong miền)
- Là phần mềm thương mại nên giá thành rất đắt
- Nhiều nghiên cứu trong nước đã sử dụng mô hình Mike 11 để làm công cụ tính toán thủy lực và chất lượng nước Nhưng sau khi hoàn thành dự án thì không chuyển giao công nghệ được vì các cơ quan hưởng lợi từ dự án không có bản quyền
sử dụng mike 11 và dự án cũng không có đủ kinh phí để mua phần mềm
- Mô hình WQRRS (Water quality for River):
Ghép nối mô hình Qual II với mô hình tính toán sự lan truyền chất ô nhiễm trong các hồ chứa nước Tính toán 1, 2 chiều cho hệ thống sông - hồ ở trạng thái
Trang 32động lực với số liệu đầu ra là chất lượng nước sông làm số liệu đầu vào cho mô hình chất lượng nước hồ [10]
- Mô hình QUAL2K:
QUAL2E do Brown và Barnwell xây dựng năm 1987, QUAL2K là bản cải
tiến ra đời 3/2006 Những công trình đầu tiên về QUAL2 được trình bày trong tài
liệu Qual I & II, Stream Water Quality, Texas Water Development Board, Environmental Protection Agency; (1971, 1973) và sau này được trình bày trong công trình Qual2E, Enhanced Stream Water Quality Model; EPA, Center for Exposure Assessment Modeling (1985) QUAL2E-UNCAS là một phiên bản nâng cao của QUAL2E; nó cung cấp những khả năng để phân tích tính không chắc chắn
Sự ra đời của QUAL2E đã thúc đẩy nghiên cứu ứng dụng các công cụ mô hình hóa trong bài toán mô phỏng chất lượng nước cho hệ thống kênh sông [10]
Mô hình QUAL2K được sử dụng rộng rãi để dự đoán hàm lượng tải trọng
của các chất thải cho phép thải vào sông Mô hình cho phép mô phỏng 15 thành
phần thông số chất lượng nước sông bao gồm nhiệt độ, BOD5, DO, tảo dưới dạng chlorophyl, Nitơ hữu cơ (Norg), nitrit (N-NO2), nitrat (N-NO3-), photpho hữu cơ (Porg), photpho hoà tan, coliform và 3 thông số khác ít biến đổi trong nước
Mô hình QUAL2Kw là mô hình một chiều đơn giản mô phỏng khá đầy đủ các quá trình vận chuyển và xáo trộn cơ bản trong sông Mô hình đã được sử dụng
hiệu quả để dự đoán hàm lượng tải trọng của các chất thải cho phép thải vào sông Ứng dụng của mô hình được tìm thấy trong nhiều tài liệu khác nhau như Caroll và
cs (2006), Kannel và cs (2007), Pelletier và Bilhimer (2004) Đây là một trong
những mô hình đã được ứng dụng thành thạo từ lâu, có cơ sở lý thuyết đơn giản và đầy đủ, đòi hỏi nhu cầu số liệu đầu vào ít nhưng vẫn đảm bảo sự mô phỏng xu hướng khá chính xác, nó hữu ích trong điều kiện dữ liệu hạn chế
QUAL2K hiện nay đã được nâng cấp lên phiên bản QUAL2Kw 5.1 và được cung cấp miễn phí bởi Cục bảo vệ môi trường Mỹ - EPA (http://ecy.wa.gov/) Phần
mềm được phát triển trên hệ điều hành Microsoft Windows, lập trình bằng ngôn
Trang 33ngữ macro của Windows: Visual Basic for Applications (VBA) với giao diện sử
dụng trên Microsoft Excel
Giống như mô hình QUAL2E, mô hình Q2K được áp dụng cho trường hợp dòng chảy một chiều và hòa trộn đều theo chiều đứng và chiều ngang, trạng thái
thủy lực ổn định Q2K mô phỏng dòng chảy ổn định không đồng bộ Q2K còn mô
phỏng diễn biến nhiệt độ và chất lượng nước theo thời gian Ngoài ra, các nguồn điểm, nguồn phân tán nhập vào hay thoát ra khỏi sông đều được mô phỏng trong
mô hình Q2K Mô hình Q2K có nhiều điểm tiến bộ hơn so với QUAL2E
Xét về phân đoạn sông trong mô hình, QUAL2E chỉ có thể chia đoạn sông thành những đoạn yếu tố bằng nhau Ngược lại, Q2K phân đoạn sông thành những đoạn yếu tố khác nhau Đồng thời, Q2K có thể mô phỏng các nguồn nước nhập vào hay thoát ra ở bất kì đoạn yếu tố nào
Xét về chất lượng nước, Q2K mô phỏng thêm một số thành phần Q2K mô
phỏng nhu cầu oxy sinh hóa để phân hủy cacbon (CBOD) Trong đó, Q2K mô
phỏng 2 trường hợp phân hủy cacbon: trường hợp phân hủy nhanh (fast CBOD) và trường hợp phân hủychậm (slow CBOD)
Khác với Q2E, Q2K xét đến trường hợp môi trường hiếm khí Khi nồng độ oxy thấp, phản ứng oxy hóa giảm dần Khi đó mô hình sẽ thực hiện phản ứng khử
bậc nhất
Q2K còn xét đến ảnh hưởng giữa nước và bùn cát Dòng chảy nước - bùn cát bao gồm oxy hòa tan và các chất dinh dưỡng được mô phỏng bên trong mô hình Điều này có nghĩa là hỗn hợp oxy và chất dinh dưỡng được mô phỏng như một hàm
số của vật chất hữu cơ lắng xuống, phản ứng bên trong bùn cát và của nồng độ các
chấthòa tan trong nước
Ngoài ra, Q2K còn mô phỏng tảo đáy, pH, mầm bệnh của loài và sự trao đổi
chất trong tầng hyporheic Trong đó, pH được mô phỏng dựa vào độ kiềm và tổng cacbon vô cơ Mầm bệnh của loài được xác định như là một hàm của nhiệt độ, ánh sáng và sự chìm lắng Đặc biệt, mô hình có chức năng hiệu chỉnh tự động Dựa vào
Trang 34thuật toán, mô hình tìm ra các giá trị tối ưu của các thông số động lực học sao cho
số liệu tính toán phù hợp nhất với dữ liệu thực đo
Từ một số mô hình được giới thiệu ở trên, nhận thấy chương trình QUAL2Kw là mô hình một chiều đơn giản mô phỏng khá đầy đủ các quá trình vận chuyển và xáo trộn cơ bản trong sông Mô hình đã được sử dụng hiệu quả để dự đoán hàm lượng tải trọng của các chất thải cho phép thải vào sông Ứng dụng của QUAL2Kw là một trong những mô hình đã được ứng dụng thành thạo từ lâu, có cơ
sở lý thuyết đơn giản và đầy đủ, đòi hỏi nhu cầu số liệu đầu vào ít nhưng vẫn đảm
bảo sự mô phỏng xu hướng khá chính xác Nó hữu ích trong điều kiện dữ liệu hạn
chế và được cung cấp miễn phí bởi Cục bảo vệ môi trường Mỹ - EPA
phỏng theo chiều dài sông ở khía cạnh độ dài hỗn hợp trên mặt cắt ngang và sự phát tán phần nhiều theo chiều dọc sông nên lựa chọn sử dụng mô phỏng bằng QUAL2Kw là hợp lý
Để phù với đối tượng nghiên cứu của đề tài tác giả luận văn lựa chọn sử
dụng mô phỏng bằng QUAL2Kw 5.1 Đây cũng là phiên bản mới nhất tại thời điểm
hiện tại được phát hành miễn phí trên toàn thế giới và phù hợp với thực tế hiện tại
1.3 Giới thiệu về sông Đào - Nam Định
1.3.1 Lưu vực sông Đào - Nam Định
Sông Đào chảy qua thành phố Nam Định theo hướng Đông Bắc - Tây Nam
nối sông Hồng với sông Đáy và là nguồn cấp nước chính cho sinh hoạt , công nghiệp của thành phố và các huyện trong lưu sông
Sở dĩ con sông có tên là sông Đào vì đây không phải là con sông tự nhiên mà
do đào mà thành Vào những năm 30 của thế kỷ XIX, do sông Vị Hoàng chảy xói vào làm cho bờ sông ngày càng lở, dòng sông nằm ở phía Nam thành phố nên địa phương xin đào một đoạn sông mới để chia sẻ dòng nước Năm Minh Mạng thứ 13 (1832), nhà vua đã cho đào con sông mới từ kênh Phù Long đến bến đò Lương Xá
để hợp với dòng sông Vị Hoàng Con sông này có tên là sông Đào
Trang 35Tuy chỉ là đoạn sông dài hơn 2km nhưng dần dần người dân đã dùng tên này
chỉ cả con sông nối giữa sông Hồng và sông Đáy dài 33km Sông Đào ban đầu vừa nông vừa hẹp lại tách làng hoa Vị Khê khỏi làng Vị Hoàng Nước sông Hồng đổ vào sông Đào tương đối thuận nên lưu lượng và tốc độ vào mùa lũ ngày càng làm cho dòng sông mở rộng Sông Đào ngày nay càng trở nên thuận lợi, tàu thuyền đi
lại dễ dàng, rút ngắn hẳn một đoạn đường so với trước (Du lịch Nam Định, 2012)
Hình 1.7 Sơ đồ vị trí sông Đào - Nam Định
Chế độ nước sông Đào được phân biệt rõ rệt bởi mùa lũ và mùa kiệt
+ Mùa lũ:
Mùa lũ trên sông thường xảy ra từ tháng 5 đến tháng 10 và kéo theo sự xuất
hiện mực nước cao Mực nước trung bình vào mùa lũ trong nhiều năm đạt khoảng +3,80m Theo số liệu thống kê trong 30 năm trở lại đây đã có 29 lần mực nước lên báo động số 1, khoảng 16 lần trên báo động số 2, khoảng 10 lần trên báo động số 3
Trang 36Thống kê số liệu sau khi có sự điều tiết của hồ Hoà Bình (từ 1981 đến 2010) thì
mực nước cao nhất tại Nam Định (sông Đào) đạt +4,81m vào năm 1996
+ Mùa ki ệt:
Mùa kiệt từ tháng 11 đến tháng 5 năm sau, trong đó 4 tháng có mực nước dưới 0,75 m là tháng 2- 3- 4- 5, tháng cực tiểu là tháng chỉ cao 0,64 m
1.3.2 Nguồn gây ô nhiễm sông Đào - Nam Định
- Nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt đang là 1 nguyên nhân gây ô nhiễm nước sông Đào Nước thải sinh hoạt trong khu vực hầu hết chưa được xử lý, hệ thống xả nước thải
của các khu dân cư tập trung đều xả trực tiếp vào hệ thống tiêu thoát nước chung
hoặc xả trực tiếp ra kênh mương sau đó đổ ra sông Đào qua các cửa tiêu Đối với thành phố Nam Định, nước thải sinh hoạt được xử lý một phần (chủ yếu xử lý bằng các bể tự hoại) sau đó dẫn ra sông Vĩnh Giang trước khi bơm ra sông Đào nhờ trạm bơm Kênh Gia và trạm bơm Cốc Thành
Thành phố Nam Định là nơi có mật độ dân cư lớn nhất (5381 người/km2
) (Cục
thống kê tỉnh Nam Định, 2014), gấp 5 lần mật độ trung bình của lưu vực sông Đào, đây cũng là nơi có số dân và tỷ lệ dân sống ở thành thị cao hơn so với các huyện nên áp lực do ô nhiễm chất thải sinh hoạt đến sông Đào là đáng quan tâm
Các khu vực thị trấn, các huyện do mật độ dân số còn thấp nên ảnh hưởng không đáng kể đến chất lượng nước lưu vực sông Đào Tuy nhiên lưu vực sông Đào
là vùng dân số phát triển trong tương lai Dân số trong vùng sau 10 đến 20 năm tới
sẽ có sự biến động với dân số tăng, dân cư thành phố tập trung nhiều hơn do thành
phố mở rộng, công nghiệp, dịch vụ phát triển Vì vậy sự gia tăng dân số ở LVS Đào
sẽ gây ra những áp lực nhiều hơn đến chất lượng nước sông Đào
- Nước thải hoạt động sản suất công nghiệp
Nước mặt sông Đào - Nam Định là nơi tiếp nhận cuối cùng của nước thải các KCN Hiện nay, việc tăng nhiều nhà máy, xí nghiệp KCN với quy mô lớn dẫn đến nhu cầu về nguồn nước tăng, không những nước phục vụ cho sản xuất mà còn phục
vụ sinh hoạt cho một số lượng lớn công nhân từ nhiều vùng khác nhau tập trung về
Trang 37Sự khai thác quá mức nước để sử dụng cho sinh hoạt và sản xuất cùng với sự gia tăng về lượng thải gây áp lực ngày càng lớn đến chất lượng môi trường nước mặt
- Nước thải nông nghiệp
Nguồn gây ô nhiễm nước do hoạt động sản xuất nông nghiệp gồm: nước từ các khu vực canh tác và nước thải do hoạt động chăn nuôi trong khu vực
Tình trạng ô nhiễm nước mặt ở nông thôn, khu vực sản xuất nông nghiệp không ngừng gia tăng Theo niên giám thống kê của tỉnh Nam Định qua các năm
gần đây cho thấy dân số sống tại các vùng nông thôn của tỉnh Nam Định chiếm khoảng trên 80% tổng số dân Cơ sở hạ tầng còn lạc hậu, chất thải của con người, chăn nuôi gia súc không được xử lý hoặc xử lý kém hiệu quả làm phát sinh chất thải
hữu cơ, vi sinh vật gây bệnh gây ô nhiễm nguồn nước sông, hồ, kênh, mương, ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người
Ngành chăn nuôi hiện nay đang theo xu hướng giảm chăn nuôi nhỏ lẻ trong nông hộ, tăng chăn nuôi hàng hoá theo mô hình trang trại, gia trại quy mô vừa và
nhỏ Phần lớn các cơ sở chăn nuôi nằm trong khu dân cư, chất thải phát sinh từ các trang trại được tập trung với khối lượng lớn Theo sở TN& MT Nam Định hiện nay lưu vực sông Đào mới chỉ có 20% cơ sở chăn nuôi xây dựng bể biogas để xử lý chất
thải Do vậy chất thải chăn nuôi chứa nhiều chất hữu cơ, chất dinh dưỡng sẽ đưa ra sông gây ô nhiễm môi trường nước sông Đào
1.3.3 Thực trạng quản lý chất, kiểm soát ô nhiễm sông Đào - Nam Định
Công tác quản lý môi trường ở Nam Định đã được coi trọng góp phần quản
lý, kiểm soát ô nhiễm môi trường trong tỉnh và LVS Đào Tuy nhiên vẫn còn những
hạn chế sau:
- Về cơ cấu tổ chức quản lý môi trường: Số lượng cán bộ chuyên môn về môi trường ở các huyện, xã còn thiếu và trình độ còn hạn chế Ở cấp xã hiện nay giao cho cán bộ địa chính- xây dựng kiêm chức năng môi trường nên bị quá tải về công
việc Theo sở TN&MT việc xử phạt hành chính với các cơ sở vi phạm quy định về
bảo vệ môi trường còn hạn chế do thiếu lực lượng kiểm tra, xử phạt
- Về mặt thể chế, chính sách:
Trang 38Luật bảo vệ môi trường năm 2014 có hiệu lực từ ngày 01/01/2015 nhưng các nghị định, thông tư hướng dẫn thi hành còn chậm vì vậy việc triển khai cho các cơ
sở sản xuất kinh doanh thực hiện công tác BVMT gặp nhiều khó khăn
Việc phân công và thực hiện chức năng nhiệm vụ bảo vệ môi trường giữa các Sở, ban ngành chưa thật phù hợp, nhiệm vụ BVMT còn chồng chéo giữa các ngành lĩnh vực
- Về mặt tài chính, đầu tư cho công tác bảo vệ môi trường:
Việc sử dụng nguồn kinh phí sự nghiệp môi trường tại cấp huyện và cấp xã còn nhiều lúng túng và có nơi chưa sử dụng đúng vào mục đích BVMT Nguồn kinh phí sự nghiệp môi trường hàng năm đầu tư cho công tác BVMT có nơi, có chỗ còn dàn trải, chưa thực sự đạt hiệu quản cao
- Về các hoạt động giám sát, quan trắc, cảnh báo ô nhiễm môi trường:
Kinh phí nhà nước đầu tư cho công tác quan trắc, giám sát môi trường còn ít chưa đáp ứng được yêu cầu giám sát ô nhiễm môi trường phát sinh từ hoạt động phát triển kinh tế xã hội Việc đầu tư cho công tác BVMT của các cơ sở sản xuất, kinh doanh dịch vụ còn chưa nghiêm túc theo đúng quy định của pháp luật
- Về nguồn lực, sự tham gia của cộng đồng:
Nhận thức, ý thức bảo vệ môi trường của một số bộ phận nhân dân, doanh nghiệp còn hạn chế Ý thức của cộng đồng dân cư nhất là các khu vực nông thôn chưa cao, còn nhiều hiện tượng người dân vứt rác, xả chất thải bừa bãi nơi công
cộng, xuống ao hồ, kênh mương và đốt phụ phẩm sau thu hoạch gây ô nhiễm môi trường cả một khu vực, một vùng rộng lớn
Vì vậy, tác giả lựa chọn sông Đào - Nam Định làm đối tượng áp dụng mô hình Q2K từ đó đưa ra các biện pháp quản lý là mang tính cấp thiết và thực tiễn cao
Mô hình Q2K là một công cụ khoa học logic, cần có những hiểu biết kỹ về cơ sở lý thuyết để có thể áp dụng đạt hiệu quả tốt nhất, do đó, tác giả sẽ trình bày rõ hơn về
mô hình QUAL2Kw và phương pháp nghiên cứu trong chương II
Trang 39CHƯƠNG II: PHẦN MỀM QUAL2KW VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để quản lý tốt chất lượng nguồn nước cần lựa chọn mô hình hóa và số liệu
thống kê thích hợp, áp dụng cùng với các chính sách pháp lý để đưa ra các quyết định quản lý đúng Quy trình quản lý chất lượng nước với phần mềm mô hình hóa QUAL2Kw là công cụ giúp mô tả và đưa ra đánh giá dự báo cho tương lai bằng
việc thu thập thông tin, kiến thức về hiện trạng và chức năng môi trường
Mô hình QUAL2Kw [19] dựa trên cơ sở của phương pháp là hệ phương trình phát tán một chiều ổn định, từ đó ta có phương trình cơ bản của mô hình:
i
i hyp i i
i i i i
i i i i
i i i
i ab i i
i i
i
i
i
c c V
E S V
W c c V
E c c V
E c V
Q c V
Q c
+ +
− +
− +
' , 1
' 1
' 1 ,
1
1
(1.1)
Trong đó:
Wi: Khối lượng các thành phần nhập vào đoạn sông i (g/ngày hoặc mg/ngày)
Si: Nguồn các chất nhập vào hoặc thải khỏi sông do các phản ứng và dịch chuyển cơ học (g/m3
được sử dụng trong luận văn, các bước thực hiện, xử lý, hiệu chỉnh thông số
2.1.2 Nguyên tắc phân đoạn sông
Trong mô hình, hệ thống sông được chia thành các đoạn sông có cùng đặc
trự thuỷ lực như độ dốc, độ rộng đáy Các đoạn sông được đánh số theo thứ tự tăng dần từ đầu nguồn của sông chính Các nguồn điểm và điểm rút nước có thể ở
bất kỳ vị trí nào trên sông (Hình 2.1)
Trang 40Hình 2.1 Cách phân đoạn của QUAL2Kw cho sông đơn
Ở mỗi đoạn sông lại được phân chia thành các phần tử tính toán (element) có
độ dài bằng nhau (Hình 2.2) Tất cả các đoạn sông phải bao gồm số phần tử tính toán phải là một số nguyên Tính chất thủy lực, hằng số tốc độ phản ứng, điều kiện ban đầu và dữ liệu để tính toán các phần tử cũng giống như trong một đoạn sông
Hình 2.2 Chia đoạn sông thành các phần tử [3]