Nghiên cứu các biện pháp quản lý các nguồn thải nhằm cải thiện chất lượng nước sông nhuệ

Một số nghiên cứu về mô hình mô phỏng tính toán chất lượng nước Để nghiên cứu đánh giá ô nhiễm nước cần tính toán đánh giá biến đổi chất lượng nước trong sông và các thủy vực, một trong

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Nghiên cứu các biện pháp quản lý các nguồn thải

nhằm cải thiện chất lượng môi trường

nước sông Nhuệ

NGUYỄN DUY LONG

duylongttrtnmt@gmail.com

Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường

Giáo viên hướng dẫn: TS Trịnh Thành

HÀ NỘI, 11/2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Nghiên cứu các biện pháp quản lý các nguồn thải

nhằm cải thiện chất lượng môi trường

nước sông Nhuệ

NGUYỄN DUY LONG

duylongttrtnmt@gmail.com

Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường

Giáo viên hướng dẫn: TS Trịnh Thành

Bộ môn: Quản lý môi trường

Viện: Khoa học và Công nghệ Môi trường

HÀ NỘI, 11/2019

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện Luận văn, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của nhiều cá nhân và tập thể Để đạt được kết quả như hôm nay, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành

Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS.Trịnh Thành đã trực tiếp hướng dẫn, truyền đạt kiến thức thực tế, đôn đốc, kiểm tra giúp tôi có nền tảng kiến thức và phương pháp nghiên cứu để hoàn thành tốt báo cáo Luận văn này Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ của các cán bộ Sở Tài nguyên Môi trường Hà Nội, nhóm ThS Chu Duy Bắc, KS Lưu Ngọc Anh - Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã hỗ trợ tôi trong việc cung cấp số liệu, tạo điều kiện để tôi thực hiện Luận văn

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả sự giúp đỡ quý báu đó

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của tôi, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu số liệu tại thành phố Hà Nội Các số liệu về kết quả của Luận văn là trung thực, khách quan, trích dẫn đầy đủ trong quá trình thực hiện Luận văn

Hà Nội, tháng 10 năm 2019

Tác giả

Nguyễn Duy Long

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC BẢNG iii

DANH MỤC HÌNH iv

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Nội dung nghiên cứu 2

CHƯƠNG I 3

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 3

1.1 Điều kiện tự nhiên - kinh tế - xã hội 3

1.1.1 Điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu 3

1.1.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội khu vực nghiên cứu 6

1.2 Chất lượng nước sông Nhuệ 10

1.3 Tổng quan về các mô hình tính toán chất lượng nước 11

1.3.1 Vai trò của mô hình trong quản lý tài nguyên nước 11

1.3.2 Một số nghiên cứu về mô hình mô phỏng tính toán chất lượng nước 11

1.4 Giới thiệu mô hình MIKE 11 [30] 13

1.4.1 Các phương trình cơ bản 13

1.4.2 Phương pháp giải số 15

1.4.3 Điều kiện ổn định của mô hình 16

CHƯƠNG II 18

ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 18

2.2 Phương pháp nghiên cứu 18

2.2.1 Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu 18

2.2.2 Phương pháp mô hình toán 18

2.2.3.Phương pháp phân tích, xử lý số liệu 18

2.3 Thiết lập mô hình 18

2.3.1 Sơ đồ mạng lưới sông (River Network) 19

2.3.3 Điều kiện biên (Boundary) 21

2.3.4 Module thủy động lực (HD Parameter) 21

2.3.5 Module tải phân tán (AD Parameter) 22

2.3.6 Module sinh thái (ECO LAB) 23

2.4 Tính toán dữ liệu nguồn thải 23

2.4.1 Nguồn thải sinh hoạt 23

2.4.2 Nguồn thải công nghiệp 25

2.4.3 Nguồn thải thải y tế 25

2.4.4 Nước thải làng nghề 26

2.4.5 Nước thải chăn nuôi 26

2.4.6 Tổng hợp tải lượng nguồn thải 27

2.5 Số liệu quan trắc nước mặt 27

CHƯƠNG III 29

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29

3.1 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy động lực 29

3.1.1 Hiệu chỉnh mô hình thủy động lực 29

3.1.2 Kiểm định mô hình thủy động lực 31

3.2 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình chất lượng nước 33

3.2.1 Hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước 33

3.2.2 Kiểm định mô hình chất lượng nước 37

3.3 Các biện pháp quản lý nguồn nước thải và các kịch bản phát thải 40

3.3.1 Kịch bản phát thải của thành phố Hà Nội đến năm 2030 43

3.3.2 Hai kịch bản thu gom và xử lý nước thải tập trung 48

3.3.3 Kịch bản bổ cập nước từ sông Hồng vào sông Nhuệ qua cống Liên Mạc 51 3.4 Cơ sở và đề xuất giải pháp 55

3.4.1.Cơ sở lý luận 55

3.4.2 Giải pháp đề xuất 56

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Phân bố diện tích trong lưu vực sông Nhuệ 3

Bảng 2.1: Thông tin số mặt cắt sử dụng trong mô hình 20

Bảng 2.2: Khai báo điều kiện biên của mô hình 21

Bảng 2.3: Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt theo TCXDVN 33:2006/BXD 24

Bảng 2.4: Dân số và lưu lượng nước thải sinh hoạt trên lưu vực 24

Bảng 2.5: Tải lượng BOD trong nước thải sinh hoạt phân vùng tiểu lưu vực 25

Bảng 2.6: Tổng hợp lượng nước thải bệnh viện khu vực phía Bắc 26

Bảng 2.7: Tổng tải lượng ô nhiễm trong nước thải 27

Bảng 3.1: Kết quả hiệu chỉnh hệ số nhám Manning(n) 29

Bảng 3.2: Giá trị Nash trong quá trình hiệu chỉnh thuỷ lực năm 2016 30

Bảng 3.3: Chuẩn số Nash thủy lực trong quá trình kiểm định năm 2017 32

Bảng 3.4: Kết quả hiệu chỉnh nhân tố phân tán thời đoạn 2016 - 2017 34

Bảng 3.5: Thống kê sai số quá trình hiệu chỉnh chất lượng nước tại Phúc La năm 2016 34

Bảng 3.6: Thống kê sai số quá trình hiệu chỉnh chất lượng nước tại Cầu Mới năm 2016 36

Bảng 3.7: Sai số kiểm định hàm lượng DO tại Cầu Mới và Phúc La 38

Bảng 3.8: Sai số kiểm định nhiệt độ tại Hà Đông và Hiền Giang 38

Bảng 3.9: Sai số kiểm định hàm lượng BOD5 tại Hà Đông và Hiền Giang 39

Bảng 3.10: Ước tính dân số và lưu lượng nước thải sinh hoạt các tiểu lưu vực đến năm 2030 43

Bảng 3.11: Ước tính tổng lưu lượng nước thải và tổng thải lượng BOD các tiểu lưu vực năm 2030 44

Bảng 3.12: Ước tính thải lượng BOD hai kịch bản thu gom xử lý nước thải 49

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Bản đồ lưu vực sông Nhuệ 4

Hình 1.1 : Sơ đồ mạng lưới trạm thủy văn lưu vực sông Nhuệ - Đáy 6

Hình 1.3: Diễn biến giá trị WQI trên các sông chảy qua khu vực nội thành Hà Nội giai đoạn 2014 - 2018 10

Hình 1.4: Quá trình biến đổi Oxy 15

Hình 1.5: Sơ đồ 6 điểm của Abbott - Ionescu 16

Hình 2-1: Sơ đồ vận hành mô hình MIKE 11 ECO LAB 19

Hình 2.2: Sơ đồ mạng lưới sông Nhuệ - Tô Lịch 20

Hình 2.3: Khai báo dữ liệu mặt cắt tại hạ lưu đập Liên Mạc 21

Hình 2.4: Khai báo điều kiện ban đầu của Module thuỷ lực 22

Hình 2.5: Giá trị tải phân tán trong AD Parameter chưa kiểm định 22

Hình 3.1: Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại trạm Hà Đôngnăm 2016 30

Hình 3.2: Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại trạm Đồng Quan năm 2016 31

Hình 3.3: Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại trạm Nhật Tựunăm 2016 31

Hình 3.4: Kết quả kiểm định mực nước tại trạm Hà Đông năm 2017 32

Hình 3.5: Kết quả kiểm định mực nước tại trạm Đồng Quan năm 2017 32

Hình 3.6: Kết quả kiểm định mực nước tại trạm Nhật Tựu năm 2017 33

Hình 3.7: Kết quả hiệu chỉnh hàm lượng DO tại Phúc La năm 2016 35

Hình 3.8: Kết quả hiệu chỉnh nhiệt độ tại Phúc La năm 2016 35

Hình 3.9: Kết quả hiệu chỉnh hàm lượng BOD5 tại Phúc La năm 2016 35

Hình 3.10: Kết quả hiệu chỉnh hàm lượngDO tại Cầu Mới năm 2016 36

Hình 3.11: Kết quả hiệu chỉnh nhiệt độ tại Cầu Mới năm 2016 37

Hình 3.12: Kết quả hiệu chỉnh hàm lượng BOD5 tại Cầu Mới năm 2016 37

Hình 3.13: Kết quả kiểm định hàm lượng DO tại Hà Đông 38

Hình 3.14: Kết quả kiểm định hàm lượng DO tại Hiền Giang 38

Hình 3.15: Kết quả kiểm định nhiệt độ tại Hà Đông 39

Hình 3.16: Kết quả kiểm định nhiệt độ tại Hiền Giang 39

Hình 3.17: Kết quả kiểm định hàm lượng BOD5 tại Hà Đông 40

Hình 3.18: Kết quả kiểm định hàm lượng BOD5 tại Hiền Giang 40

Hình 3.19: Kết quả mô phỏnghàm lượng DO tại Hà Đông năm 2030 45

Hình 3.20: Mô phỏng hàm lượng DO nhỏ nhất dọc sông năm 2030 46

Hình 3.21: Kết quả hiệu mô phỏnghàm lượng BOD tại Hà Đông năm 2030 47

Hình 3.22: Mô phỏng hàm lượng BOD lớn nhất dọc sông 48

Hình 3.23: So sánhhàm lượng BOD tại Hà Đông năm 2030 giữa KB1 và KB2 49

Hình 3.24: So sánhhàm lượng BOD tại Hà Đông năm 2030 KB1 và KB3 50

Hình 3.25: Mô phỏnghàm lượng DO tại Hà Đông năm 2030 KB2 50

Hình 3.26: Mô phỏnghàm lượng DO tại Hà Đông năm 2030 KB3 51

Hình 3.27: Mô phỏng lưu lượng nước cống Liên Mạc mùa khô 51

Hình 3.28: Mô phỏng lưu lượng nước cống Liên Mạc mùa mưa 52

Hình 3.29: So sánh hàm lượng DO tại Hà Đông năm 2030 KB1 và KB4 52

Hình 3.30: Mô phỏng hàm lượng DO lớn nhất dọc sông giữa KB1 và KB4 53

Hình 3.31: So sánhhàm lượng BOD tại Hà Đông năm 2030 KB1 và KB4 54

Hình 3.32: Hàm lượng BOD lớn nhất dọc sông của KB1 và KB4 55

DANH MỤC VIẾT TẮT

QCCP: Quy chuẩn cho phép

WQI: Chỉ số chất lượng nước

WHO: Tổ chức Y tế Thế giới

KB: Kịch bản

GIS: Hệ thống thông tin địa lý

VEA: Tổng cục Môi trường

UBND: Ủy ban nhân dân

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Nước là nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá, duy trì và đảm bảo

sự sống cùng sự phát triển trên hành tinh xanh của chúng ta Nguồn tài nguyên quan trọng này ở trên thế giới và tại Việt Nam đã và đang phải đối mặt với ô nhiễm từ nguồn rác thải sinh hoạt, các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp, áp lực từ sự phát triển kinh tế và gia tăng dân số quá nhanh

Ngày nay, trước sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp song song với mức độ mất kiểm soát của đô thị hóa dẫn đến tình trạng nhiều con sông trên địa bàn thành phố Hà Nội và các tỉnh, thành Bắc Bộ chịu sự ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Đặc biệt là lưu vực sông Nhuệ, lưu vực hiện đang bị ô nhiễm chất dinh dưỡng, bồi lắng do ảnh hưởng của nước thải công nghiệp, làng nghề và sinh hoạt Để có thể đưa ra những biện pháp quản lý cải tiến phù hợp với lưu vực này, việc phân tích, đánh giá nguyên nhân và mức độ gây ô nhiễm là cực kỳ cần thiết

Hiện nay các quốc gia phát triển trên thế giới và Việt Nam đã xuất hiện rất nhiều mô hình tính toán phục vụ cho công tác quản lý tài nguyên nước đã được xây dựng và đi vào thực tiễn Cùng với sự phát triển của kỹ thuật, khoa học tiên tiến, các mô hình ngày càng tiến bộ vượt bậc cho phép người sử dụng có thể áp dụng rộng rãi và linh hoạt cho nhiều mục đích tính toán khác nhau

Mô hình tính toán mô phỏng chất lượng nước có vai trò rất quan trọng đối với việc phản ánh chất lượng và quản lý nguồn nước Các chỉ tiêu trong môi trường nước bao gồm: chỉ tiêu vật lý, hóa học và thành phần sinh học của nguồn nước được mô tả trên cơ sở giải các phương trình toán học về quan hệ giữa các chỉ tiêu chất lượng nước cũng như các quá trình có liên quan đến chúng Mô hình tính toán mô phỏng chất lượng nước là một trong những công cụ quản lý nguồn nước một cách toàn diện cùng với ưu thế tính của hiệu quả kinh tế Trong nhiều năm gần đây, công nghệ về mô hình hóa được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực: dự báo ô nhiễm, đánh giá xu thế biến đổi chất lượng nước, khai thác sử dụng hợp lý nguồn nước và làm cơ sở khoa học cho việc quản lý tổng hợp tài nguyên nước

Luận văn sử dụng mô hình MIKE 11 tính toán lan truyền, phân tán chất ô nhiễm để làm cơ sở đánh giá hiện trạng, nghiên cứu đánh giá diễn biến chất lượng nước trên hệ thống sông Nhuệ Mô hình chất nước lượng nước thuộc bộ phần mềm MIKE 11 được phát triển bởi Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) hiện là một trong những mô hình tiên phong với nhiều ứng dụng thành công trên thế giới

và là mô hình mô phỏng hệ thống sông thông dụng MIKE 11 là hệ thống phần mềm tích hợp đa năng, được kiểm nghiệm thực tế cho phép tính toán thủy lực và chất lượng nước với độ chính xác cao, giao diện thân thiện dễ sử dụng, có tích hợp ứng dụng kỹ thuật GIS là một kỹ thuật mới với tính hiệu quả cao

Nhận thức được ô nhiễm môi trường nước trên lưu vực sông Nhuệ là một vấn đề quan trọng và có ý nghĩa quyết định đến sự tồn tại và phát triển bền vững

của lưu vực nói chung và toàn xã hội nói riêng, kèm theo sự phát triển của mô hình hóa và những ứng dụng thiết thực, tôi tiến hành thực hiện nghiên cứu đề tài

“Nghiên cứu các biện pháp quản lý các nguồn nước thải nhằm cải thiện chất lượng môi trường nước sông Nhuệ”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu các biện pháp quản lý các nguồn thải hiện đang áp dụng, ứng dụng mô hình MIKE 11 ECO Lab đánh giá biến động và tình trạng ô nhiễm của chất lượng nước sông Nhuệ, từ đó đề xuất các biện pháp quản lý các nguồn nước thải nhằm cải thiện chất lượng môi trường nước sông Nhuệ

3 Nội dung nghiên cứu

Nội dung 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu

Tìm hiểu các tài liệu liên quan đến điều kiện tự nhiên - kinh tế - xã hội của khu vực nghiên cứu cũng như các mối tương quan với chất lượng môi trường nước Nghiên cứu tài liệu liên quan đến ứng dụng mô hình đánh giá chất lượng nước

Nội dung 2: Xây dựng bộ số liệu đầu vào để vận hành mô hình, hiện trạng các biện pháp quản lý các nguồn nước thải

Nghiên cứu về sơ đồ hệ thống mạng lưới sông, khu vực các nguồn thải, các thông tin dữ liệu về mực nước, lưu lượng nước sông Nghiên cứu, biên tập bộ

số liệu về chất lượng nước sông tại các vị trí trạm quan trắc qua các thời kỳ Xây dựng bộ số liệu đầu vào để chạy mô hình, bao gồm số liệu các mặt cắt và số liệu lưu lượng, mực nước tại các biên, các nguồn thải trên toàn bộ hệ thống sông Tổng hợp, nhận xét hiện trạng các biện pháp quản lý các nguồn nước thải

Nội dung 3: Ứng dụng mô hình MIKE 11 ECO Lab đánh giá các kịch bản diễn biến chất lượng nước theo quy hoạch vào năm 2030

Nghiên cứu áp dụng mô hình MIKE 11 ECO Lab: hiệu chỉnh, kiểm định

mô hình, mô phỏng các kịch bản diễn biến chất lượng nước sông Nhuệ, nhận xét các kịch bản và đề xuất các biện pháp quản lý các nguồn nước thải nhằm cải thiện chất lượng môi trường nước sông Nhuệ

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Điều kiện tự nhiên - kinh tế - xã hội

1.1.1 Điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu

a Vị trí địa lý

Sông Nhuệ nằm giữa đồng bằng Bắc bộ, phía Bắc lưu vực sông Nhuệ là sôngHồng, phía Tây là sông Đáy, phía Nam là sông Châu Giang Sông chảy qua địa bàn thành phố Hà Nội và hai huyện của tỉnh Hà Nam Diện tích của toàn bộ lưu vực là 107.530 ha, trong đó: Hà Nội chiếm 87.820 ha và tỉnh Hà Nam chiếm 19.710 ha (Lý, Ứng dụng mô hình Mike 11 đánh giá chất lượng nước sông Nhuệ đoạn chảy qua Hà Nội, 2015)

Lưu vực sông Nhuệ có hướng dốc từ Bắc Tây Bắc xuống Nam Đông Namlà nguồn cấp nước tưới phục vụ sản xuất nông nghiệp và thoát nước của thành phố Bảng 1.1 là tình hình phân bố diện tích các quận, huyện trong lưu vực sông Nhuệ

Bảng 1.1 Phân bố diện tích trong lưu vực sông Nhuệ [1]

Từ Bảng 1.1 trên có thể thấy một số khu vực nằm gần trọn trong

lưu vực sông Nhuệ như khu vực nội thành Hà Nội, quận Bắc Từ Liêm,

quận Nam Từ Liêm, quận Hà Đông, huyện Thanh Oai, huyện Phú Xuyên,

huyện Thường Tín, Duy Tiên và thành phố Phủ Lý (Hà Nam)

Hình 1.1: Bản đồ lưu vực sông Nhuệ

Sông Nhuệ (đoạn chảy qua thành phố Hà Nội) bắt nguồn từ sông Hồng tại cửa cống Liên Mạc (thuộc quận Bắc Từ Liêm) và chảy qua các quận, huyện gồm: Bắc

Từ Liêm, Nam Từ Liêm, Hà Đông, Thanh Trì, Thanh Oai, Thường Tín, Ứng Hoà, Phú Xuyên và hợp lưu với sông Đáy ở khu vực thành phố Phủ Lý, tỉnh Hà Nam

b Đặc điểm địa hình

Lưu vực sông Nhuệ nằm hoàn toàn trên vùng đồng bằng thấp thuộc châu thổ sông Hồng, không có đồi và núi Địa hình có dạng lòng máng cao ở

phíasông Hồng, sông Đáy và thấp dần vào trục sông Nhuệ theo hướng Bắc Tây Bắc - Nam Đông Nam qua địa phận thành phố Hà Nội và tỉnh Hà Nam Độ cao của khu thượng nguồn sông Nhuệ ở Bắc Từ Liêm, Nam Từ Liêm khoảng 5-7m, tại khu lân cận quận Hà Đông cao 4-7m, khu vực huyện Thường Tín cao 1,1-3,5m Độ dốc của lòngsông Nhuệ có cao độ mặt phổ biến từ +2,0 đến +6,0 m Cao trình biến đổi từ +1,0 mđến + 9,0 m

c Đặc điểm thủy văn

Mạng lưới sông ngòi khu vực nghiên cứu tương đối phát triển, mật độ lưới sông đạt từ 0,7 - 1,2 km/km2 Về mùa kiệt cống Liên Mạc được mở để lấy nước sông Hồng vào sông Nhuệ, còn về mùa lũ chỉ mở khi mực nước sông Hồng dưới báo động cấp I và trong đồng có nhu cầu cấp nước Cống Lương Cổ về mùa lũ được mở để tiêu nước và chỉ đóng lại khi có phân lũ qua đập Đáy Nối sông Đáy với sông Nhuệ còn có các sông nhỏ như sông La Khê (qua quận Hà Đông), sông Vân Đình, sông Duy Tiên, sông Ngoại Độ và một số sông nhỏ khác tạo thành một mạng lưới tưới tiêu tự chảy cho hệ thống khi điều kiện cho phép Sông Vân Đình dài 11,8 km nối sông Nhuệ với sông Đáy qua cống Vân Đình Sông La Khê dài 6,8 km được nối với sông Đáy qua cống La Khê Mạng lưới sông, các kênh tiêu trong khu vực nghiên cứu khá phức tạp, lại có các hướng tiêu thoát khác nhau

- Sông Nhuệ: Sông Nhuệ dài 76 km, lấy nước từ sông Hồng qua cống

Liên Mạc Sông Nhuệ còn tiêu nước cho thành phố Hà Nội và chảy vào sông Đáy ở thành phố Phủ Lý (tỉnh Hà Nam) Sông có diện tích lưu vực xấp xỉ 1.075 km2

- Bốn con sông thoát nước chính của Hà Nội:

+ Sông Tô Lịch: dài 14,6 km, rộng trung bình từ 40 - 45 m, sâu từ 3 - 4 m, bắt đầu từ cống Bưởi chảy qua,quận Cầu Giấy, Đống Đa, Thanh Xuân, Hoàng Mai, huyện Thanh Trì qua đập Thanh Liệt và đổ vào sông Nhuệ Sông Tô Lịch tiếp nhận nước của sông Sét, sông Lừ, sông Kim Ngưu và đảm nhận tiêu thoát toàn bộ nước thải của thành phố

+ Sông Sét: dài 5,9 km rộng từ 10 - 30 m, sâu từ 3 - 4 m bắt nguồn từ cống

Bà Triệu, hồ Bảy Mẫu rồi đổ ra sông Kim Ngưu ở Giáp Nhị

+ Sông Kim Ngưu: dài 11,8 km, rộng từ 20 - 30 m, sâu từ 3 - 4 m, bắt nguồn từ điểm xả Lò Đúc, tiếp nhận nước của sông Sét tại Giáp Nhị và hợp lưu với sông Tô Lịch tại Thanh Liệt

+ Sông Lừ (sông Nam Đồng): dài 5,6 km, rộng trung bình 30 m, sâu từ 2 -

3 m, nhận nước thải, nước mưa từ các cống Trịnh Hoài Đức, cống Trắng rồi chảy qua Trung Tự về đường Trường Chinh và đổ vào sông Tô Lịch

Hình 1.1 : Sơ đồ mạng lưới trạm thủy văn lưu vực sông Nhuệ - Đáy 1.1.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội khu vực nghiên cứu

a Dân số

Theo Cục Thống kê báo cáo về tình hình dân số và lao động trên địa bàn Thành phố năm 2017 có dân số là 7.654.800 người, tăng 1,8% so với năm trước; lực lượng trong độ tuổi lao động là 3,8 triệu người [2]

Trong mức dân số trung bình của Hà Nội năm 2017, khu vực thành thị là 3.764.100 người, chiếm 49,2% và tăng 1,7%; khu vực nông thôn là 3.890.700 người, chiếm 50,8% và tăng 1,8% so với cùng kỳ năm 2016 Mật độ dân số trung bình là 2.279 người/km2, phân bố dân cư không đều, tốc độ đô thị hóa phát triển tương đối nhanh Mật độ dân số tập trung tại các quận khá cao, mật độ dân số trung bình 12 quận là 11.220 người/km2, cao nhất là quận Đống Đa 42.171 người/km2 và thấp nhất là quận Long Biên 4.840 người/km2, cao gấp 4,9 lần so với mật độ dân số trung bình của toàn Thành phố Tuy nhiên, cơ cấu dân số theo giới tính của Hà Nội lại tương đối cân bằng với số nữ nhiều hơn số nam không đáng kể, trung bình cứ 100 nữ thì có 97 nam

Biến động dân số đối với khu vực nông thôn chủ yếu là do việc di dân đi làm ăn kiếm sống tại đô thị hoặc học tập Xu hướng dịch cư từ các tỉnh quanh Hà Nội, lượng dịch cư đa số chọn các vùng ven đô để sinh sống, đi làm tại vùng nội

đô

Về lực lượng lao động năm 2017, khu vực thành thị là 2 triệu người; khu vực nông thôn là 1,8 triệu người Tỷ lệ tham gia lực lượng lao động là 67,8%, trong đó khu vực thành thị là 62,3% và khu vực nông thôn là 75,3%

Ước tính số người có việc làm trong năm 2017 đạt trên 3,7 triệu người chiếm 97,4% so với tổng số lao động trong độ tuổi từ 15 trở lên Trong đó, khu vực khu vực thành thị chiếm 53,1%; khu vực nông thôn chiếm 46,9% Bên cạnh

đó, tỷ lệ lao động đang làm việc qua đào tạo của Hà Nội ước đạt 60,7% và tỷ lệ thất nghiệp khu vực thành thị ở mức 3,1%

b.Tình hình phát triển kinh tế - xã hội

Theo Báo cáo tại Hội nghị lần thứ 16 Ban Chấp hành Đảng bộ thành phố

Hà Nội khóa XVI, kinh tế - xã hội thành phố Hà Nội năm 2018 đạt nhiều kết quả nổi bật, tất cả 20 chỉ tiêu đều đạt và vượt kế hoạch, trong đó, 8 chỉ tiêu vượt kế hoạch: Kim ngạch xuất khẩu tăng 21,6% (kế hoạch 7,5-8%); tỷ lệ dân số nông thôn được cung cấp nước sạch đạt 55,5% (kế hoạch 55%); số xã được công nhận đạt tiêu chí nông thôn mới tăng thêm 30 xã (kế hoạch 26 xã); tỷ lệ bao phủ bảo hiểm y tế đạt 86,5% (kế hoạch 83,5%);… Kinh tế Thủ đô năm 2018 tiếp tục phát triển toàn diện, tổng sản phẩm trên địa bàn (GRDP) tăng 8,65% (theo cách tính mới là 7,37%) và duy trì năm sau tăng hơn năm trước (năm 2016 tăng 8,2%; năm

2017 tăng 8,48%) GRDP bình quân đầu người năm 2018 đạt 4.080USD/người, gấp 1,12 lần năm 2015 Tổng thu ngân sách của thành phố năm 2018 ước đạt 238,8 nghìn tỷ đồng, bằng 100,2% dự toán (tăng 12,6% so với cùng kỳ) Chi ngân sách được thực hiện đúng quy định, tiếp tục tái cơ cấu các khoản chi theo hướng tiết kiệm chi thường xuyên để dành nguồn cho đầu tư phát triển Năm

2018, tỷ trọng chi thường xuyên giảm còn 50,8% Ngoài ra các làng nghề nổi tiếng tại Hà Nội được thể hiện dưới bảng sau

Bảng 1.2 Danh sách một số làng nghề nổi tiếng tại Hà Nội[3]

1 Làng dệt in hoa La Nội xã Dương Nội Hoài Đức

2 Làng dệt in hoa Ỷ Lan xã Dương Nội Hoài Đức

3 Làng nghề chả giò Ước Lễ xã Tân Ước Thanh Oai

4 Làng nghề bún Thanh Lương xã Bích Hòa Thanh Oai

5 Làng nghề chế biến lương thực

thựcphẩm thôn Bá Nội xã Hồng Hà Đan Phượng

6 Làng nghề chế biến lương thực

thực phẩm thôn Tân Độ xã Hồng Minh Phú Xuyên

7 Làng nghề chế biến nông sản thực xã Cát Quế Hoài Đức

11 Làng nghề chế biến tinh bột thôn

12 Làng nghề cơ khí Phùng Xá xã Phùng xá Thạch Thất

13 Làng nghề dệt khăn dệt vải dệt len

21 Làng nghề khảm trai thôn Ngọ xã Chuyên Mỹ Phú Xuyên

22 Làng nghề khâu bóng da thôn Lê

23 Làng nghề khâu bóng da thôn Văn

24 Làng nghề kim khí thôn Liễu Nội,

25 Làng nghề kim khí thôn Rùa Hạ,

26 Làng nghề kim khí thôn Rùa

27 Làng nghề lược sừng Thụy Ứng xã Hòa Bình Thường Tín

28 Làng nghề luyện kim gò hàn Phú

29 Làng nghề mây tre đan thôn Nghĩa

30 Làng nghề mây tre đan Văn La xã Văn Võ Chương Mỹ

31 Làng nghề mây tre đan Vạn Phúc xã Vạn Phúc Thanh Trì

32 Làng nghề mây tre giang đan thôn

33 Làng nghề mộc cao cấp thôn Vạn

34 Làng nghề mỹ nghệ Sơn Đồng xã Sơn Đồng Hoài Đức

35 Làng nghề rèn thôn Đa sỹ xã Kiến Hưng Hà Đông

36 Làng nghề sơn màu Hạ Thái xã Duyên Thái Thường Tín

37 Làng nghề thêu thuộc xã Thắng

38 Làng nghề thêu ren thôn Đỗ Quan xã Quất Động Thường Tín

39 Làng nghề thêu ren thôn Quất

Nguồn: Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội

1.2 Chất lượng nước sông Nhuệ

Hình 1.3: Diễn biến giá trị WQI trên các sông chảy qua khu vực nội thành Hà

Nội giai đoạn 2014 - 2018 [4]

Chất lượng nước sông Nhuệ luôn ở mức thấp, đoạn sông qua nội thành Hà Nội, nước bị ô nhiễm nặng với giá trị WQI thấp (trong khoảng 27 - 57) Ô nhiễm nước sông Nhuệ cũng đã và đang có những tác động đáng kể đến chất lượng nước khu vực hạ lưu, đặc biệt vào mùa khô Sông Đáy có chất lượng nước tốt hơn sông Nhuệ, chất lượng nước có xu hướng tăng dần theo dòng chảy từ Hà Nội đến Ninh Bình, một số điểm trên địa phận Ninh Bình, nước có thể sử dụng cho sinh hoạt nhưng cần có biện pháp xử lý phù hợp Hầu hết các sông chảy trong khu vực nội thành thành phố Hà Nội đều đã và đang tiếp tục bị ô nhiễm khá nặng Sông Tô Lịch, đoạn chảy qua khu vực nội thành từ Nghĩa Đô đến Cầu Sét, chỉ số WQI luôn có giá trị thấp (nhỏ hơn 25), nước thường xuyên bị ô nhiễm nặng và hầu như chưa có sự cải thiện qua các năm Các sông nhỏ khác như sông

Lừ, sông Sét, Kim Ngưu, cũng trong tình trạng tương tự

Nguyên nhân chính là do từ trước đến nay, các sông này đều là nơi tiếp nhận và chứa phần lớn nước thải sinh hoạt của các khu dân cư của thành phố, hàm lượng các chất hữu cơ trong nước luôn vượt nhiều lần ngưỡng QCVN 08-MT:2015/BTNMT (B2) Theo thống kê trong giai đoạn 2014 - 2018, trên LVS Nhuệ - Đáy, hầu hết các thông số đều có tỷ lệ

% giá trị vượt QCVN 08-MT: 2015/BTNMT (A2) từ 35,7% đến trên 90% Trong đó, một số thông số có tỷ lệ vượt cao là Amoni, Nitrit và BOD5 Năm 2016 - 2017, tỷ lệ số giá trị vượt QCVN của các thông số có giảm nhẹ so với những năm trước nhưng không đáng kể [4]

1.3 Tổng quan về các mô hình tính toán chất lượng nước

1.3.1 Vai trò của mô hình trong quản lý tài nguyên nước

Mô hình tính toán chất lượng nước là các phần mềm tính toán chỉ tiêu phản ánh chất lượng nguồn nước Các chỉ tiêu bao gồm: 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 ánh chất lượng nước cũng như các quá trình có liên quan đến nó

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 quả kinh tế cao Trong những năm gần đây,mô hình mô phỏng tính toán chất lượng nước được ứng dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực: dự báo ô nhiễm, đánh giá xu thế biến đổi chất lượng nước, khai thác sử dụng hợp lý nguồn nước và làm cơ sở khoa học cho việc quản lý tổng hợp tài nguyên nước

1.3.2 Một số nghiên cứu về mô hình mô phỏng tính toán chất lượng nước

Để nghiên cứu đánh giá ô nhiễm nước cần tính toán đánh giá biến đổi chất lượng nước trong sông và các thủy vực, một trong những phương pháp hiệu quả nhất là sử dụng mô hình chất lượng nước đã được thực hiện rất nhiều trên thế giới

Tuy nhiên, phải từ thập kỷ 30 đến thập kỷ 60 thế kỷ XX, mô hình tính toán mới phát triển mạnh ở các nước Âu Mỹ với những nghiên cứu của các nhà khoa học Pháp và Hà Lan như Du Boys về quá trình phân tán chất; Barre de Saint - Venant về dòng dẫn không ổn định; L Fargue về hình thái đoạn sông uốn khúc Vào những năm đầu của thế kỷ XX, các nhà khoa học của Liên Xô như Lotchin V.M Bernadski N.M., Gontrarop V.N đã nghiên cứu thành công về các vấn đề liên quan đến chất ô nhiễm trên hệ thủy lợi; các nhà khoa học Antunin S.T., Grisanin K.B, Kariukin S.N có nhiều nghiên cứu về thông số lòng sông tại châu Âu

Stephen H Scott và Yafei Jia (2002) đã sử dụng mô hình SOBEK để nghiên cứu diễn biến lòng dẫn và đề xuất giải pháp công trình kè mỏ hàn bảo vệ

bờ và ổn định lòng dẫn tại Đức Kết quả cho giá trị về diễn biến cao độ đáy sông

và phân bố vận tốc trên toàn tuyến, trong đó tập trung vào cảng Emden và đường thủy Emdener Kết quả mô phỏng bằng mô hình cho thấy phù hợp với số liệu đo đạc thủy triều tại Emden, chênh lệch so với lưu tốc dòng chảy đo đạc là không lớn, chênh nhau trung bình khoảng 10 cm/s và 5 cm/s Dòng chảy hạ lưu và thượng lưu công trình thay đổi, dẫn đến có sự biến đổi lòng dẫn cả ở phía thượng

và hạ lưu

Hay trong những năm gần đây, Weiming Wu và Sam S.Y Wang (2013)

đã thành công trong nghiên cứu về mô hình CCHE1D tại Hoa Kỳ Kết quả các nhà nghiên cứu đã ứng dụng thử nghiệm thành công mô hình trên xác định được từng lưu lượng bùn cát thành phần tại cửa ra của lưu vực Goodwin, Mississippi

với kết quả tính toán phù hợp với các giá trị thực đo Nghiên cứu này làm cơ sở cho việc xem xét đánh giá xu thế biến đổi hình thái trong thời gian dài thông qua thay đổi điều kiện dòng chảy sông một cách chính xác

MIKE 11 là một trong những công cụ được sử dụng phổ biến nhất trên toàn thế giới Điển hình như nhóm tác giả J Liang, Q Yang, T Sun, J D Martin

và H Sun (2015) với nghiên cứu MIKE 11 model-based water quality model as a

tool for the evaluation of water quality management plansđã trình bày sự phát

triển của mô hình chất lượng nước như một công cụ để đánh giá, thay thế các kịch bản quản lý nước cho lưu vực sông tại Bắc Kinh, Trung Quốc Kết quả cho thấy nhu cầu Oxy hóa học, hàm lượng Ammoniac và tổng Photpho phát triển theo xu hướng tăng chung cho các kịch bản khác nhau cho kết quả mô phỏng khác nhau, do ở mỗi kịch bản có các biện pháp làm sạch, giảm thiểu riêng

Tại Việt Nam, nhóm tác giả Trần Hồng Thái, Hoàng Thị Thu Trang,

Nguyễn Văn Thao, Lê Vũ Việt Phong với nghiên cứu Ứng dụng mô hình MIKE

11 tính toán thủy lực, chất lượng nước cho lưu vực sông Sài Gòn- Đồng Nai Qua

những kết quả đạt được của nghiên cứu, nhóm tác giả kết luận kết quả tính toán,

mô phỏng thủy văn, thủy lực chất lượng nước bằng mô hình MIKE 11 khá tốt, cho thấy khả năng ứng dụng hiệu quả của mô hình Tuy nhiên để có thể sử dụng

mô hình tốt hơn nữa trong hiện tại và tương lai, nhóm tác giả đã đề xuất nâng cao chất lượng số liệu quan trắc thủy văn, thủy lực và chất lượng nước cần đồng bộ, dày đặc và chính xác hơn

Trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy, nhóm tác giả Lê Vũ Việt Phong, Trần Hồng Thái, Phạm Văn Hải (2005) của Viện Khoa học Khí tượng thủy văn và

Môi trường đã thành công trong nghiên cứu Nghiên cứu áp dụng mô hình toán

MIKE 11 tính toán chất lượng nước sông Nhuệ - sông Đáy Theo kết quả của

nghiên cứu, nhóm tác giả chỉ ra được chất lượng nước trên sông Nhuệ và sông Đáy xấu hơn rất nhiều so với tiêu chuẩn nước mặt của Việt Nam Hơn nữa, nhóm tác giả đưa ra khuyến nghị rằng nếu các khu đô thị mới, khu công nghiệp mới được bố trí xây dựng không hợp lý thì chắc chắn tình trạng ô nhiễm môi trường nước sẽ ngày càng trầm trọng, dẫn đến kết quả cuối cùng là các dòng sông sẽ thành dòng sông “chết”

Nhận xét: Từ thành công của các mô hình tính toán chất lượng nước trên

thế giới thì MIKE 11 có một số ưu điểm nổi trội như: Liên kết với Hệ thống thông tin địa lý GIS; Kết nối với các mô hình thành phần khác của bộ MIKE như

mô hình thuỷ động lực học 2 chiều MIKE 21, mô hình dòng chảy nước dưới đất, dòng chảy tràn bề mặt; Tính toán chuyển tải chất khuyếch tán; Vận hành công trình; Tính toán quá trình phú dưỡng,… Trong Luận văn, Tác giả lựa chọn MIKE

11 là phù hợp với tính chất của các dữ liệu được sử dụng và thời gian chạy mô hình

1.4 Giới thiệu mô hình MIKE 11 [30]

1.4.1 Các phương trình cơ bản

Các phương trình cơ bản trong phần mềm MIKE 11 bao gồm: Hệ phương trình Saint-Venant, phương trình lan truyền, khuyếch tán chất ô nhiễm và phương trình mô tả các quá trình động học phản ứng trong môi trường nước

Module thuỷ động lực (HD-HydroDynamics): Cơ sở lý thuyết của

Module này dựa trên việc giải hệ phương trình Sain-Venant cho dòng chảy một chiều không ổn định

Module tải phân tán (AD - Advection Dispersion): Module mô phỏng

quá trình vận chuyển, chuyển hoá, lan truyền, phân tán đồng thời các chất Module AD xây dựng trên cơ sở lý thuyết của việc giải phương trình lan truyền, phân tán một chiều không ổn định

Module chất lượng nước (WQ - Water Quality): Module mô phỏng chất

lượng nước sông khi chịu tác động từ các hoạt động của con người Module WQ

mô phỏng quá trình biến đổi, hình thành các hợp chất trong sông Module WQ kết hợp với Module AD để mô tả mối tương quan giữa các thành phần vật lý, hoá học, sinh học và sự chuyển hoá, vận chuyển các thành phần này trong sông Module WQ cho phép mô phỏng trạng thái chất lượng nước ở 6 cấp độ

a Hệ phương trình cơ bản của Module thủy lực

Hệ phương trình cơ bản của Module HD là hệ phương trình Saint-Venant

Hệ phương trình Saint-Venant được Giáo sư Barre de Saint-Venant người Pháp thiết lập vào năm 1871, viết cho dòng chảy 1 chiều không ổn định không đều biến đổi chậm trong sông, suối tự nhiên cũng như nhân tạo với hình dạng mặt cắt bất kỳ Sự thiết lập hệ phương trình Saint-Venant dựa trên định luật bảo toàn khối lượng và định luật bảo toàn động lượng của chất lỏng chuyển động qua một đơn vị thể tích

Phương trình liên tục:

Phương trình liên tục được thiết lập dựa trên định luật bảo toàn khối lượng, lưu lượng q gia nhập, với giả thiết khối lượng riêng của chất lỏng là không đổi, phương trình có dạng:

(1.1)

Phương trình động lượng:

Phương trình động lượng được thiết lập dựa trên định luật bảo toàn động lượng, với giả thiết là lưu lượng dòng gia nhập biên q, hệ số trở lực thủy lực được tính bằng công thức thực nghiệm Chezy

Phương trình động lượng cơ bản thiết lập trong hệ phương trình Venant có dạng sau:

(1.2)

Do đó để tính toán mô phỏng chế độ dòng chảy trong sông, mô hình MIKE 11 dựa trên cơ sở giải hệ phương trình Saint-Venant được thiết lập bao gồm 2 phương trình tạo thành hệ hai phương trình hai ẩn có dạng:

R: Bán kính thuỷ lực hoặc bán kính trở lực;

: Khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m3)

b Phương trình cơ bản của Module tải khuyếch tán

Phương trình được thiết lập dựa trên định luật bảo toàn khối lượng với các giả thiết sau: Các chất được coi như xáo trộn hoàn toàn trên toàn mặt cắt; Các chất được coi là không biến đổi hoặc có tốc độ phân huỷ bậc 1; Áp dụng định luật khuyếch tán Fick, nghĩa là coi các chất phân tán theo sự biến thiên nồng độ

Phương trình lan truyền, khuyếch tán trong mô hình MIKE 11 có dạng sau:

c Các phương trình cơ bản của Module chất lượng nước

Trong dòng chảy thường xảy ra các quá trình sau: quá trình nhiệt độ, quá trình biến đổi oxy, quá trình biến đổi các hợp chất chứa Nitơ, quá trình biến đổi các hợp chất chứa photpho, Coliform,…Tốc độ biến đổi của các quá trình được

tính toán:

Nhiệt độ:

Đa số các phản ứng trong môi trường nước đều phụ thuộc vào nhiệt độ vì nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến các yếu tố và các hoạt động sinh học Biểu thức Arrhenius là một hàm thể hiện sự phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ:

(1.5) Trong đó: : Hệ số nhiệt độ Arrhenius;

T: Nhiệt độ của nước (oC);

T o: Nhiệt độ tiêu chuẩn-giá trị này thường lấy ở 20oC

Quá trình biến đổi oxy:

Oxy trong môi trường nước chi phối bởi các quá trình sau:

- Quá trình bổ cập oxy (reaeration): Quá trình quang hợp; Quá trình khuyếch tán oxy hòa tan từ khí quyển

- Quá trình tiêu thụ oxy: Quá trình hô hấp của thủy sinh vật; Oxy cho các quá trình phân hủy các chất hữu cơ (BOD); Oxy phân hủy trầm tích; Oxy hoá các hợp chất Nitơ

Hình 1.4: Quá trình biến đổi Oxy

Quá trình bổ cập oxy (Reaeration)là quá trình mô tả sự trao đổi oxy giữa oxy

hòa tan trong nước và trong khí quyển

Phương trình lan truyền, phân tán được sai phân hoá có dạng:

(1.8) Các phương trình sai phân được giải trên sơ đồ sai phân 6 điểm (Abbott - Ionescu) như trong hình dưới đây:

Hình 1.5: Sơ đồ 6 điểm của Abbott - Ionescu

Phương pháp Double-Sweep tiếp theo được sử dụng để giải các hệ phương trình tuyến tính được thiết lập từ các bước giải bằng phương pháp sai phân ẩn Để có được giải pháp ổn định và chính xác cho chương trình sai phân

ẩn, ta cần có các điều kiện ổn định cho mô hình tính toán

1.4.3 Điều kiện ổn định của mô hình

a Điều kiện ổn định tính toán thủy lực

Tiêu chuẩn để đánh giá độ ổn định của Module thuỷ lực là hệ số Courant với công thức:

(1.9)

Trong đó: V : Lưu tốc;

Gy: Tốc độ nhiễu loạn sóng nhỏ tại nơi nước nông;

t : Bước thời gian;

x : Khoảng cách giữa hai điểm tính toán trong lưới tính toán

Phương trình sai phân dùng trong MIKE 11, cho phép các hệ số Courant từ10 đến 20 nếu dòng chảy ở mức tới hạn dưới

b Điều kiện ổn định cho tính toán chất lượng nước

Điều kiện ổn định cho tính toán lan truyền, khuyếch tán là hệ số Pecle và

hệ số Courant Hệ số Pecle có công thức:

(1.10)

Trong đó: v : Lưu tốc;

∆x: Khoảng cách giữa các điểm tính toán trong lưới tính toán;

D : Hệ số phân tán

Hệ số Courant đối lưu nhỏ hơn 1: (1.11)

CHƯƠNG II ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng: Chất lượng nước mặtsông Nhuệ, các nguồn thải chính trên

lưu vực

- Phạm vi chính: Lưu vực sông Nhuệ trên địa bàn thành phố Hà Nội

- Phạm vi thời gian: Tác giả thu thập các tài liệu, dữ liệu về mặt cắt sông Nhuệ từ năm 2000 và tài liệu, dữ liệu về chất lượng nước sông từ năm 2016 đến năm 2017

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được các mục tiêu và thực hiện được các nội dung nghiên cứu nêu, tác giả đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu chính được trình bày sau đây:

2.2.1 Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu

Tác giả thu thập và kế thừa các tài liệu của các đề tài, dự án, chương trình

đã và đang thực hiện có liên quan đến lưu vực sông Nhuệ - Đáy trên các lĩnh vực

về địa hình, mặt cắt, thuỷ văn, chất lượng nước, tình hình phát triển kinh tế, xã hội

2.2.2 Phương pháp mô hình toán

Tác giả đã sử dụng các nguồn tài liệu, số liệu thu thập được, sau đó tiến hànhkhai báo dữ liệu vào mô hình MIKE 11 ECO LABđể xây dựng nên bộ dữ liệu đầu vào của mô hình và tiến hành chạy mô hình tính toán

2.2.3.Phương pháp phân tích, xử lý số liệu

Từ những nguồn tài liệu thu thập được, tác giả tiến hành xử lý, tính toánnhững số liệu thu thập được trên địa bàn khu vực nghiên cứu, tiến hành đánh giá chất lượng nước, xác định các chỉ tiêu liên quan đến chất lượng nước, nguồn thải các loại hình sản xuất, y tế, làng nghề, sinh hoạt, chăn nuôi trên lưu vực nghiên cứu theo các công thức phổ biến đang được áp dụng

2.3 Thiết lập mô hình

Tác giảkhái quá quá trình vận hành mô hình MIKE 11ECO LABtrong Hình 2.1:

Hình 2-1: Sơ đồ vận hành mô hình MIKE 11 ECO LAB

2.3.1 Sơ đồ mạng lưới sông (River Network)

Sơ đồ hệ thống sông được tác giả trích xuất trong mô hình và biểu

diễn trình bày trên Hình 2.2:

Hình 2.2: Sơ đồ mạng lưới sông Nhuệ - Tô Lịch 2.3.2 Sơ đồ mặt cắt ngang (Cross Section)

Nguồn tài liệu mặt cắt trên hệ thông sôngđược tác giả thu thập và đưa vào

dữ liệu của mô hình Tác giả thống kê số lượng mặt cắt được sử dụng trong nghiên cứu mô hình trong Bảng 2.1 dưới đây: [5] [6]

Bảng 2.1: Thông tin số mặt cắt sử dụng trong mô hình

Các mặt cắt được tác giả khai báo vào mô hình Hình 2.3 dưới đây là minh hoạ mặt cắt thứ nhất của sông Nhuệ tương ứng với vị trí đập Liên Mạc ở thượng nguồn khu vực nghiên cứu:

Hình 2.3: Khai báo dữ liệu mặt cắt tại hạ lưu đập Liên Mạc

2.3.3 Điều kiện biên (Boundary)

Với yêu cầu khai báo biên nhằm quy định phạm vi tính toán của mô hình, tác giả đã trích xuất dữ liệu sau khi số hoá vào mô hình và biểu thị trong Bảng 2.2 dưới đây:

Bảng 2.2: Khai báo điều kiện biên của mô hình

1 Open Mực nước Sông Nhuệ Biên đầu Liên Mạc

2 Open Mực nước Sông Nhuệ Biên cuối Cống Lương Cổ

3 Open Mực nước Sông Tô Lịch Biên đầu Cống Bưởi

Dữ liệu mực nước có thời đoạn trong năm 2016 và 2017 với Time Steps là

1 ngày, bắt đầu vào thời điểm 7h sáng mỗi ngày

2.3.4 Module thủy động lực (HD Parameter)

Tác giả khai báo điều kiện ban đầu trong mô hình gồm lưu lượng và độ sâu mực nước tại thời điểm t=0; điều kiện ban đầu chỉ ảnh hưởng bước thời gian đầu của quá trình tính toán nhằm mục đích ổn định mô hình gồm có Chiều cao mực nước và Lưu lượng nướcđược tác giả trích xuất từ mô hình và minh hoạ trong Hình 2.5 dưới đây:

Hình 2.4: Khai báo điều kiện ban đầu của Module thuỷ lực

2.3.5 Module tải phân tán (AD Parameter)

Với nội dung yêu cầu đánh giá chất lượng nước, tác giả đã tiến hành khai báo tên các chỉ tiêu liên quan đến chất lượng nước của mô hình

Tác giả trích xuất công đoạn khai báo Hệ số phân tán chưa kiểm định của

mô hình dưới Hình 2.6:

Hình 2.5: Giá trị tải phân tán trong AD Parameter chưa kiểm định

Hệ số phân tán D, được mô tả như là một hàm của tốc độ dòng trung bình

V, như công thức: D = a.Vb (2.1)

Trong đó a là Nhân tố phân tán (Dispersion Factor) và b là Số mũ phân tán (Exponent) Nếu b = 0 thì D không đổi Theo mặc định, Nhân tố phân tán bằng không (a= 0), nghĩa là chỉ có vận chuyển xuôi và không có sự phân tán

Các tham số “Hệ số phân tán tối thiểu” và tham số “Hệ số phân tán tối đa”được sử dụng để kiểm soát phạm vi của Hệ số phân tán D

2.3.6 Module sinh thái (ECO LAB)

Trong giao diện của Module Sinh thái, dựa trên các yêu cầu của mô hình, tác giả lựa chọn mức MIKE 11 WQ Level 1với ba thông số mặc định DO, nhiệt

độ, BOD5 làm nền tảng cho tính toán chất lượng nước lại Chương III

2.4 Tính toán dữ liệu nguồn thải

Do giới hạn nghiên cứu chất lượng nước lưu vực sông Nhuệ nên tác giả chỉ tập trung tính toán các nguồn thải trên các quận, huyện trực thuộc thành phố

Hà Nội Theo đó, nghiên cứu được phân vùng thành 6 tiểu lưu vực tiêu thoát

nước chính dựa trên Bản đồ Quy hoạch hệ thống tiêu thuỷ lợi Thành phố Hà Nội

đến năm 2020 định hướng đến năm 2030[7], cụ thể:

TLV1: Tiểu lưu vực Đan - Hoài - Từ bao gồm các phường, xã trên địa

bàn 4 địa phận quận Nam Từ Liêm, Bắc Từ Liêm; huyện Đan Phượng và Hoài Đức Nguồn tiếp nhận chủ yếu chịu ảnh hưởng nguồn thải từ khu dân cư và một

số cơ sở công nghiệp, cụm công nghiệp, nhà máy, các cơ sở y tế, làng nghề phía Tây Bắc khu vực nghiên cứu

TLV2: Tiểu lưu vực khu vực nội thành Hà Nội bao gồm các phường

thuộc các quận nội thành như Cầu Giấy, Ba Đình, Đống Đa, Thanh Xuân, Hà Đông Đây là khu vực chịu ảnh hưởng nặng nề nhất cuả nguồn thải sinh hoạt xả trực tiếp lên sông Tô Lịch

TLV3: Tiểu lưu vực La Khê bao gồm các phường phía nam quận Hà

Đông và các xã huyện Thanh Oai bên hữu ngạn sông Tô Lịch

TLV4: Tiểu lưu vực Thanh Trì nằm ngay phía Nam TLV2 bao gồm các

xã tại huyện Thanh Trì, nơi sông Tô Lịch hợp lưu với sông Nhuệ tại Thanh Liệt

TLV5: Tiểu lưu vực Thường Tín bao gồm các xã trên địa bàn huyện

Thường Tín phía Nam TLV 4 và bên tả ngạn sông Nhuệ

TLV6: Tiểu lưu vực Phú Xuyên bao gồm các xã trên địa bàn huyện Phú

Xuyên phía Nam TLV 5 và bên tả ngạn sông Nhuệ

Các nguồn thải chủ yếucần xem xét đến bao gồmnước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nước thải làng nghề, nước thải bệnh viện, nước thải cụm sản xuất, nhà máy và từ nguồn chăn nuôi

2.4.1 Nguồn thải sinh hoạt

Lưu lượng nước thải của các loại nguồn thải phátsinh trên một khu vực là một thành phầnrất khó có thể đo đạc được một cách đầy đủ, chính xác Trên thực tế, các nhà nghiên cứuthường phải tính toán gián tiếp dựa trên lưu lượng nước sử dụng của người dân Thí dụ đối với lưu lượng nước thải sinh hoạt có thể lấy bằng số % của lưu lượng nước cấp dùng cho hoạt động sinh hoạt của khu vực tính toán (lấy bằng 80%) Lưu lượng nước dùng cho sinh hoạt của khu vực (m3/ngày) có thể tính toán dựa trên mức cấp nước cho một người trong một ngày (l/người/ngày) và số dân cư sinh sống trong khu vực [1]

Mức cấp nước được chọn khác nhau giữa khu vực đô thị và vùng nông thôn theo quy định cấp nước sinh hoạt đô thị và nông thôn hiệnhành

Theo Nghị định số 80/2014/NĐ-CP ngày 06/8/2014 về thoát nước và xử

lý nước thải, lưu lượng nước thải ước tính bằng khoảng 80% nhu cầu cấp nước theo công thức ước tính:

ΣQ thải = Số dân x Tiêu chuẩn cấp nước x 80%(2.2)

Tiêu chuẩn cấp nước được tác giả tham khảo trong TCXDVN 33:2006/BXD Theo đó các tỉnh thành như Thành phố Hà Nộithuộc đô thị loại Inên lựa chọn tiêu chuẩn cấp nước trong Bảng 2.4 dưới đây: [8]

Bảng 2.3: Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt theo TCXDVN 33:2006/BXD

Dựa trên số liệu về dân số năm 2017 của các quận, huyện trên lưu vực

sông Nhuệ (được tác giả thống kê và xử lý từ Niên giám thống kê 2017), tác giả

đã sử dụng công thức nêu trên để tính toán ra lưu lượng nước thải sinh hoạt phân theo các Tiểu lưu vực và thể hiện trong Bảng 2.4 dưới đây (Lưu ý: lưu lượng sử

dụng có tính chất gần đúng, tương đối): [2]

Bảng 2.4: Dân số và lưu lượng nước thải sinh hoạt trên lưu vực

STT Tên Dân số (người) Lưu lượng (m 3 /ngày)

Dựa trên đánh giá của WHO (Module III: Rapid Environmental

Assessment, 1993), tác giả đã tính toán và thống kê định mứctảilượng các ô

nhiễm trong nước thải sinh hoạt có giá trị trong khoảng như sau: [9]

BOD5 = 45 - 55 g/người/ngày Chọn BOD5 = 55 g/người/ngày đối với vùng nội thành, chọn BOD5 = 45 g/người/ngày đối với vùng ngoại thành

Tác giả đã xây dựng và áp dụng công thức tính tải lượng ô nhiễm do hoạt động sinh hoạt cho các Tiểu lưu vực như sau:

ΣTải lượng TLV = ΣSố dân TLV x Định mức tải lượng ô nhiễm (WHO) (2.3)

Dưới đây là Bảng 2.5 được tác giả tổng hợp tính toán ước tính tải lượng ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt của 7 Tiểu lưu vực:

Bảng 2.5: Tải lượng BOD trong nước thải sinh hoạt phân vùng tiểu lưu vực

Nhận xét: Tương tự ở trên, tác giả đã sử dụng công thức nêu trên để tính

toán ra lưu lượng nước thải sinh hoạt phân theo các Tiểu lưu vực Qua kết quả trên, tác giả nhận thấy lưu lượng nước thải sinh hoạt dao động rất lớn; tải lượng chất ô nhiễm có trong nước thải sinh hoạt trên toàn hệ thống lớn nhất là TLV2 với BOD5 = 121.554kg/ngày; chiếm trên 56% tải lượng có trong nước thải sinh hoạt của toàn hệ thống sông Nhuệ; TLV2 là lưu vực tập trung đông dân cư nhất khu vực với lưu lượng nước thải rất lớn khoảng 374.618 m3/ngày

2.4.2 Nguồn thải công nghiệp

Nước thải công nghiệp bao gồm nước thải từ các khu công nghiệp tập trung và các cơ sở công nghiệp phân tán Đối với nguồn thải công nghiệp, tác giả thừa kế tài liệu đã có thống kê tổng lưu lượng nước thải và phân bổ rõ thuộc các loại hình trong đó Vì vậy, tác giả nghiên cứu dựa vào đặc trưng nồng độ chất ô

nhiễm trong nước thải của từng loại hình ngành nghề trong Báo cáo môi trường

quốc gia năm 2009 - Môi trường khu công nghiệp Việt Nam và số liệu về lưu

lượng nước để xây dựng nên công thức xác định tải lượng ô nhiễm như sau: [10] [11] [12]

Tải lượng CN = Nồng độ đặc trưng nguồn thải x lưu lượng nước thải(2.4)

Ngoài các KCN tập trung, lưu vực còn có hàng trăm cơ sở sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp nằm phân tán, rải rác trong khu dân cư Phần lớn lượng nước thải công nghiệp của các cơ sở trên cũng chưa được xử lý hoặc chỉ

xử lý sơ bộ rồi xả trực tiếp xuống các sông, kênh gây áp lực rất lớn đối với ô nhiễm nước của hệ thống sông Nhuệ

Nước thải sau khi qua xử lý được xả vào hệ thống thoát nước chung của nước thải sinh hoạt hoặc thải ra các lưu vực xung quanh

2.4.3 Nguồn thải thải y tế

Nước thải y tế là phát sinh từ các cơ sở khám, chữa bệnh Nguồn tiếp nhận nước thải trong lưu vực là các nguồn: nước mặt, hệ thống thoát nước.Nước thải y

tế chứa vô số loại vi trùng, virus và các mầm bệnh sinh học khác trong máu mủ, dịch, đờm, phân của người bệnh, các loại hóa chất độc hại từ cơ thể và chế phẩm điều trị, thậm chí cả chất phóng xạ

Tác giả đã tham khảo hàm lượng các chất ô nhiễm của Viện Y học lao

động và vệ sinh môi trường trong tài liệu Kết quả quan trắc môi trường bệnh

viện năm 2010 - 2013 được thống kê dưới Bảng 2.6 dưới đây [14]

Bảng 2.6: Tổng hợp lượng nước thải bệnh viện khu vực phía Bắc

sử dụng rất lớn

Tác giả sử dụng dữ liệu về đặc điểm nguồn thải các thông số ô nghiễm

trong Báo cáo môi trường Quốc gia 2008 - Môi trường làng nghề Việt Nam

và Báo cáo của Ủy ban bảo vệ môi trường lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy để ước tính tải lượng các thông số ô nhiễm [15] [11]

Tải lượng LN = Nồng độ đặc trưng LN x lưu lượng nước thải(2.6)

2.4.5 Nước thải chăn nuôi

Nhu cầu nước cho chăn nuôi bao gồm nhu cầu nước cho ăn uống, vệ sinh chuồng trại, nước tạo môi trường sống,… Nhu cầu sử dụng nước cho chăn nuôi dựa vào tiêu chuẩn dùng nước cho loại vật nuôi và số lượng vật nuôi được tính theo công thức dưới đây:

Tải lượng CN = Nồng độ đặc trưng CN x Q T(2.7)

Q T = 80% Q CN

Q CN = M x số con

Trong đó : Tải lượngCN: Tải lượng chất ô nhiễm (kg/ngày);

QT : Lưu lượng nước thải chăn nuôi (m3/ngày);

QCN: Lượng nước cần dùng trong chăn nuôi (m3/ngày.đêm);

M: Tiêu chuẩn nước dung trong chăn nuôi (l/con/ngày đêm)

Tương tự như nước thải sinh hoạt, lưu lượng nước thải và tải lượng BOD5

có trong nước thải của hoạt động chăn nuôi trong khu vực cũng ước tính theo chỉ tiêu dùng nước tính trên đầu gia súc gia cầm, số lượng gia súc gia cầm và hệ số phát sinh BOD5 tính trên đầu gia súc gia cầm

Ước tính nhu cầu sử dụng nước với hệ số là 0,025 m3/ngày/con Lượng

nước thải lấy bằng 80% nhu cầu cấp nước phục vụ chăn nuôi Theo Niên giám

thống kê năm 2017, số lượng gia súc của thành phố Hà Nội là trên 2.000.000con

Ước tính lượng nước cần cấp cho gia súc vào khoảng 50.000m3/ngày, khi đó lượng nước thải chăn nuôi khoảng 40.000 m3/ngày [2]

2.4.6 Tổng hợp tải lượng nguồn thải

Tổng tải lượng các chất ô nhiễm do hoạt động sinh hoạt và sản xuất được tác giả tổng hợp dưới Bảng 2.7 sau đây Các thông số trong bảng được tính toán

để khai báo vào mô hình trong phần dữ liệu Biên của nguồn thải

Bảng 2.7: Tổng tải lượng ô nhiễm trong nước thải

Nhận xét: Kết quả tính toán cho thấy tổng tải lượng chất ô nhiễm do các

loại nước thải sản sinh trên lưu vực của lưu vực sông gần 300 tấn BOD5/ngày Lưu vực TLV1 và TLV2 tập trung đông dân cư của Hà Nội nên tải lượng các chất ô nhiễm là lớn nhất

Từ kết quả ước tính tải lượng chất ô nhiễm trong các loại nước thải chothấy việc quản lý bảo vệ chất lượng nước sông Nhuệ cần phải tập trung chủ yếu vàoquản lý và kiểm soát các nguồn gây ô nhiễm để giảm tải lượng các chất ô nhiễm xả thải xuống sông, trong đó trọng tâm là kiểm soát và giảm tải lượng chất

ô nhiễm hữu cơ khu vực Hà Nội trong TLV1, TLV2

2.5 Số liệu quan trắc nước mặt

Trong mô hình tính toán chất lượng nước, tác giả chỉ dùng các số liệu về nhiệt độ, hàm lượng DO,BOD5, phục vụ cho việc mô phỏng chất lượng nước trên

hệ thống sông Nhuệ - Tô Lịch Việc tính toán của mô hình cần có lượng các chuỗi số liệu lớn là việc rất cần thiết

Dữ liệu thuỷ văn của hai năm 2016 và 2017 của Trung tâm Thông tin dữ liệu khí tượng thủy văn và Công ty Đầu tư phát triển Thủy lợi sông Đáy được sử dụng để hiệu chỉnh, kiểm định và mô phỏng thuỷ động lực [17] [18]

Số liệu quan trắc được tổng hợp từ nguồn tài liệu của Tổng cục Môi

trường trong Báo cáo kết quả quan trắc môi trường nước lưu vực sông Nhuệ -

Đáy năm 2016 Số liệu năm 2016 phân bố đều trong năm tại các tháng 3, 5, 7, 9

và 11 được sử dụng để hiệu chỉnh Số liệu quan trắc năm 2017 được tác giả thu thập từ Chi cục Bảo vệ môi trường Hà Nội trong 2 đợt mùa mưa và mùa khô và Viện Quy hoạch Thuỷ lợitrong tháng 2 để kiểm định cũng như làm cơ sở để mô phỏng mô hình [17] [18] [19] [20]

CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy động lực

Căn cứ vào nhiệm vụ tính toán, tài liệu mặt cắt và các tài liệu cơ

bản đã thu thập được, sơ đồ tính toán thủy lực cho mạng sông, dựa vào số

liệu thủy văn thực đo của năm 2016 để tác giả tiến hành hiệu chỉnh mô

hình thuỷ lực

3.1.1 Hiệu chỉnh mô hình thủy động lực

Quá trình hiệu chỉnh thông số của mô hình thủy lực được tác giả thực hiện chủ yếu quaviệc thay đổi hệ số nhám Manning (n) (dao động trong khoảng từ 0,01 đến 0,06 với các dòng sông tại Việt Nam) để kết quả tính toán và thực đo mực nước năm 2016 phù hợp

Sau khi hiệu chỉnh thông số hệ số nhám, tác giả trích xuất dữ liệu từ mô hình và thống kê giá trị hệ số nhám tương ứng đối với 16 vị trí tính theo chiều dài sông Nhuệ so với điểm đầu là cống Liên Mạc, thể hiện trong Bảng 3.1 sau đây:

Bảng 3.1: Kết quả hiệu chỉnh hệ số nhám Manning(n)

Đối với những đoạn sông còn lại,tác giả điều chỉnh hệ số nhám n = 0,025

Để đánh giá mức độ phù hợp của kết quả, tác giả lựa chọn tính toán chuẩn

số Nash; Công thức tính chuẩn số Nash như sau:

(3.1) Trong đó: n: Số điểm tính toán;

Qt: Giá trị tính toán;

Qđ: Giá trị thực đo;

Qđ¯: Giá trị thực đo trung bình

Với các dữ liệu đầu vào của mô hình cùng việc hiệu chỉnh hệ số nhám, tác

giả tính toán chuẩn số Nash để xác định mức độ phù hợp giữa giá trị tính toán và

giá trị thực đo của mô hình tại 03 vị trí trên sông Nhuệ và biểu thị trong Bảng 3.2

sau đây:

Bảng 3.2: Giá trị Nash trong quá trình hiệu chỉnh thuỷ lực năm 2016

Tác giả minh hoạ quan hệ giữa các đường quá trình tính toán và thực đo

tại công đoạn hiệu chỉnh mô hình (Tác giả trích xuất từ phần mềm MIKE VIEW)

trong các hình từ Hình 3.1 đến 3.3 như sau:

Hình 3.1: Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại trạm Hà Đôngnăm 2016