Bài viết này xem xét sự phát triển, phân loại và sự chuẩn hóa của mô hình chất lượng nước mặt. Kết quả của nghiên cứu có thể giúp các cơ quan quản lý môi trường đảm bảo tính nhất quán trong việc lựa chọn áp dụng mô hình chất lượng nước phù hợp cho các mục đích cụ thể.
Trang 1NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH
CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT
Nguyễn Thị Thủy 1 ; Nguyễn Thành Luân 2
1Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội
2Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia về Động lực học Sông biển
Tóm tắt
Mô hình chất lượng nước mặt có thể xem là công cụ hữu ích để mô phỏng và dự báo mức độ, sự phân bố và sự nguy hại của các chất ô nhiễm trong môi trường nước Kết quả từ mô hình theo các kịch bản ô nhiễm khác nhau là những cơ sở khoa học trong việc đánh giá tác động môi trường, từ đó có thể đưa ra những giải pháp cũng như hỗ trợ các cơ quan quản lý môi trường để đưa ra các quyết định đúng đắn, hợp
lý Kết quả mô hình ảnh hưởng đến tính hợp lý, tính khoa học của các dự án xây dựng
và của các biện pháp kiểm soát ô nhiễm của chính quyền Bài báo này xem xét sự phát triển, phân loại và sự chuẩn hóa của mô hình chất lượng nước mặt Kết quả của nghiên cứu có thể giúp các cơ quan quản lý môi trường đảm bảo tính nhất quán trong việc lựa chọn áp dụng mô hình chất lượng nước phù hợp cho các mục đích cụ thể
Từ khóa: Mô hình toán, chất lượng nước, phân loại mô hình, chuẩn hóa mô hình Abstract
Surface water quality models can be seen as a useful tool to simulate and forecast the levels, distributions, and risks of chemical pollutants in water environment The modelling results under different pollution scenarios are scientific bases in environmental impact assessment and may provide solutions as well as supports for environmental management agencies to make right decisions The modelling results will impact the reasonability and scientificity of the construction projects and pollution control measures of the government This study reviewed the development, classification and standardization of surface water quality models The research results can help the environmental management agencies ensure the consistency in application of water quality models for the specified purposes.
Keywords: Numerical modeling, water quality, models classification, model
standardization
1 Đặt vấn đề
Chất lượng nước là một chủ đề
nghiên cứu rộng và rất phức tạp Thông
thường để định nghĩa khái niệm chất
lượng nước thường đề cập tới một vài
thông số như vật lý, hóa học và sinh
học Sự suy giảm chất lượng nước mặt,
nước dưới đất và nước vùng cửa sông,
ven biển chủ yếu bị ảnh hưởng bởi cấu
tạo địa chất, thạch học và các phản ứng
hóa học diễn ra trong phạm vi lưu vực
hoặc tầng chứa nước Thêm vào đó, chất
lượng nước cũng bị ảnh hưởng bởi các
hoạt động nhân sinh do việc đưa vào
môi trường nước các nguồn thải công
nghiệp, sinh hoạt, chăn nuôi
Trong quá khứ, các nhà lý chất lượng nước chủ yếu dựa vào các định hướng chính sách và ít dựa trên các căn
cứ khoa học, dẫn đến yêu cầu khách quan cần phải xây dựng các mô hình chất lượng nước để đưa ra được các phân tích, đánh giá khoa học, chính xác Hầu hết các mô hình đều nhằm giải quyết các vấn
đề chất lượng nước trong điều kiện kinh
tế xã hội và môi trường cụ thể Các mô hình chất lượng nước có thể được phân loại theo: 1) Dạng tiếp cận (dựa trên nền tảng vật lý, khái niệm hoặc thực nghiệm), 2) Loại chất ô nhiễm (chất dinh dưỡng,
Trang 2trầm tích, muối), 3) Khu vực áp dụng (lưu
vực, nước dưới đất, hệ thống sông, nước
ven biển, khu vực hòa trộn), 4) Bản chất
(xác định hoặc ngẫu nhiên), 5) Trạng thái
phân tích (trạng thái bền hoặc mô phỏng
động lực), 6) Phân tích không gian (tập
trung, phân bố), 7) Chiều tính toán (mô
hình 1 chiều - 1D, 2D, 3D), 8) Yêu cầu
dữ liệu (mô hình với cơ sở dữ liệu lớn,
các mô hình với yêu cầu cơ sở dữ liệu tối
thiểu (minimum requirements models -
MIR) [5] Khó có thể tổng quan hết được
toàn bộ các mô hình chất lượng nước
dựa theo các tiêu chí trên Do đó, mục
đích của bài báo này nhằm tổng quan các
mô hình chất lượng nước điển hình đang
được sử dụng rộng rãi và xem xét sự phát
triển của chúng theo ba mức độ: phạm vi
áp dụng, mức độ chính xác và sự chuẩn
hóa cũng như phương pháp được sử dụng
trong các mô hình khác nhau Bài báo
cho phép các nhà nghiên cứu, cơ quan
quản lý môi trường định hướng, lựa chọn
mô hình chất lượng nước phù hợp, đảm
bảo tính nhất quán trong từng trường hợp
cụ thể
2 Sự phát triển của các mô hình
chất lượng nước mặt
Các mô hình chất lượng nước đã trải
qua một quá trình phát triển lâu dài kể
từ khi Streeter và Phelps xây dựng mô
hình chất lượng nước đầu tiên (mô hình
S - P) để kiểm soát ô nhiễm nước sông ở
bang Ohio của Mỹ [3] Các mô hình chất
lượng nước có bước tiến lớn từ việc chỉ
mô phỏng 1 yếu tố chất lượng nước đến
nhiều yếu tố, từ mô hình trạng thái bền
tới mô hình động lực, từ mô hình nguồn
điểm đến mô hình kết hợp giữa nguồn
điểm và nguồn diện và từ mô hình không
chiều tới mô hình một chiều, hai chiều,
và ba chiều Hơn 100 mô hình chất lượng
nước đã được phát triển cho tới ngày nay
Tuy nhiên, mỗi mô hình chất lượng nước
lại có các điều kiện áp dụng riêng Nhìn
chung, các mô hình chất lượng nước đã
trải qua ba giai đoạn phát triển quan trọng
từ năm 1925 đến nay
2.1 Giai đoạn đầu tiên (1925 - 1965)
Chất lượng nước nhận được nhiều sự quan tâm của cộng đồng ở giai đoạn này Các mô hình chất lượng nước tập trung vào sự tương tác giữa các thành phần chất lượng khác nhau trong các hệ thống sông khi bị tác động bởi sự ô nhiễm từ các nguồn thải điểm từ công nghiệp và dân sinh [1] Trong quá trình dịch chuyển thủy động lực học, nhu cầu oxy của trầm tích,
sự quang hợp và hô hấp của tảo được xem như các số liệu đầu vào của mô hình, trong khi các nguồn ô nhiễm diện chỉ đóng vai trò như tải lượng nền
Vào thời kỳ đầu của giai đoạn này,
mô hình quan hệ BOD - DO dạng tuyến tính đơn giản được phát triển để dự báo chất lượng nước đồng thời các mô hình một chiều bắt đầu được sử dụng để giải quyết các vấn đề ô nhiễm trên các sông
và cửa sông Sau đó, hầu hết các hướng nghiên cứu đã thay đổi và đi xa hơn so với mô hình ban đầu của Streeter - Phelps (các mô hình S - P) Ví dụ, Thomas Jr cho rằng BOD có thể bị giảm đi mà không có
sự tiêu thụ oxy do sự lắng đọng và keo
tụ của trầm tích, tốc độ giảm BOD tỉ lệ với hàm lượng BOD còn lại; do đó, hệ
số keo tụ được đưa thêm vào mô hình trạng thái bền S - P để phân biệt hai cách thức suy giảm hàm lượng BOD kể trên [6] O’Connor phân chia thông số BOD thành BOD carbon hóa và BOD nitrit hóa, đồng thời bổ sung các ảnh hưởng của hiện tượng phân tán vào phương trình của Thomas [4] Dobbins - Camp cũng bổ sung hai hệ số vào phương trình Thomas, bao gồm tốc độ thay đổi BOD
do sự giải phóng của trầm tích và dòng chảy bề mặt và tốc độ thay đổi DO do sự quang hợp và hô hấp của tảo
2.2 Giai đoạn phát triển (1965 - 1995)
Từ năm 1965 đến 1970, các mô hình chất lượng nước được phân chia thành 6 dạng và phát triển nhanh chóng dựa trên các nghiên cứu sâu hơn về các hệ số đa chiều trong các mô hình BOD - DO Mô hình một chiều được cải tiến thành mô
Trang 3hình hai chiều để mô phỏng chất lượng
nước hồ và vịnh Các mô hình phi tuyến
được phát triển trong suốt thời kỳ từ năm
1970 tới 1975 Những mô hình này gồm
chu trình N và P, hệ thực vật phù du và
động vật nổi, tập trung vào mối liên hệ
giữa tốc độ phát triển của sinh vật và các
chất dinh dưỡng, ánh sáng mặt trời và
nhiệt độ, thực vật phù du và tốc độ phát
triển của động vật nổi [7] Phương pháp
sai phân hữu hạn và phương pháp phần
tử hữu hạn được áp dụng cho các mô
hình các mô hình một hoặc hai chiều do
các mối liên hệ phi tuyến trong mô hình
Sau năm 1975, số lượng các biến số
ổn định trong các mô hình tăng lên đáng
kể, các mô hình ba chiều cũng được phát
triển trong giai đoạn này, mô hình thủy
động lực học và ảnh hưởng của trầm tích
được đưa vào mô hình chất lượng nước
Trong khi đó, các mô hình chất lượng
nước được kết hợp với các mô hình lưu
vực sông coi đầu vào nguồn ô nhiễm diện
như là một biến của mô hình Do đó các
chính sách về quản lý chất lượng nước
đã thay đổi đáng kể khi các mô hình tập
trung vào mô phỏng các điều kiện ràng
buộc và xem xét các nguồn ô nhiễm diện
theo lưu vực sông Các mô hình chất
lượng nước điển hình gồm có các mô
hình QUAL, mô hình MIKE11 và các
mô hình WASP đã được phát triển và
ứng dụng ở giai đoạn này Bên cạnh đó,
mô hình OTIS một chiều cũng được phát
triển bởi Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ
(USGS) để mô phỏng chất lượng nước
2.3 Giai đoạn nghiên cứu chuyên
sâu (sau năm 1995)
Các nguồn ô nhiễm diện giảm đi do
sự kiểm soát chặt chẽ ở các quốc gia phát
triển Tuy nhiên, sự ảnh hưởng tới chất
lượng nguồn nước của các hợp chất độc
hại bị tích tụ trong khí quyển như các hợp
chất hữu cơ, kim loại nặng, và các hợp
chất của Nito lại ngày một tăng Mặc dù
các chất dinh dưỡng và các chất hóa học
độc hại lắng đọng lại trên bề mặt nước đã
được tính đến trong phạm vi mô hình, tuy
nhiên các chất này không chỉ lắng đọng trực tiếp trên mặt nước mà còn có thể bị lắng đọng lại trên bề mặt lưu vực và được vận chuyển vào sông tạo ra một nguồn chất gây ô nhiễm nghiêm trọng Từ khía cạnh quản lý, mô hình ô nhiễm không khí đã được phát triển để đưa các diễn biến này vào trong mô hình, cho thấy sự lắng đọng các chất thải độc hại trong khí quyển tĩnh hoặc động có thể ảnh hưởng tới chất lượng nước tại lưu vực [8] Do
đó, ở thời kỳ này, một số các mô hình ô nhiễm không khí được tích hợp vào các
mô hình chất lượng nước để đánh giá trực tiếp sự đóng góp của hiện tượng lắng đọng chất ô nhiễm trong khí quyển [10] Ngoại trừ các mô hình kinh điển như QUAL 2K, WASP 6, QUASAR, SWAT
và MIKE 21 và MIKE 3, các mô hình chất lượng nước khác cũng được phát triển để
mô phỏng các điều kiện môi trường nước trong các trường hợp phức tạp Ví dụ, Whitehead và cộng sự đã phát triển mô hình Nito tích hợp đa phân bố (INCA) dựa trên các ảnh hưởng của khí quyển với
số liệu đầu vào là Nito đất, sử dụng đất,
và thủy văn Gần đây, Fan và cộng sự đã tích hợp mô hình chất lượng nước QUAL 2K và mô hình HEC-RAS để mô phỏng tác động của thủy triều ảnh hưởng lên sự phân bố chất lượng nguồn nước [2] Đối với sự tích hợp các nguồn ô nhiễm phân tán và tập trung, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (USEPA) đã phát triển hệ thống phân tích môi trường đa mục tiêu (BASINS), đem lại khả năng đánh giá số lượng lớn các nguồn ô nhiễm diện và điểm một cách nhanh chóng Trong đó, USEPA cũng đề xuất mô hình EFDC nên được sử dụng như một công cụ hữu hiệu nhất cho quản lý chất lượng nước
Trong số các mô hình chất lượng nước mặt, các mô hình mô hình Streeter - Phelps, QUASAR, QUAL, WASP, CE-QUAL-W
2, BASINS, MIKE, EFDC đã được áp dụng rộng rãi trên phạm vi toàn cầu Gần đây, Kannel và cộng sự đã khẳng định, các mô hình phổ biến như QUAL2EU, WASP7, và
Trang 4QUASAR là phù hợp nhất để mô phỏng
oxy hòa tan dọc các sông, suối [10] Nhìn
chung, tại các quốc gia phát triển, đặc biệt
Hoa Kỳ và các nước châu Âu đã phát triển
và cải tiến mô hình chất lượng nước mặt tốt
hơn so với các nước khác Một vài mô hình
chất lượng nước mặt cũng được thiết lập tại
một số trường đại học và các viện nghiên
cứu ở Trung Quốc trong các năm qua, tuy
nhiên các mô hình này hiện vẫn chưa được
sử dụng rộng rãi so với các mô hình MIKE,
EFDC và WASP [1]
3 Phân loại mô hình chất lượng nước
Các mô hình chất lượng nước được
phân loại dựa trên các loại chất ô nhiễm
khác nhau, bản chất của nguồn ô nhiễm (tập trung hoặc phân tán), và đặc điểm của sông như hình thái, thủy lực và sinh thái học Các mô hình này dự đoán các thay đổi trong nồng độ chất ô nhiễm của một đoạn sông đã biết, kết hợp với khả năng hòa trộn của sông do các phản ứng vật lý, hóa học
và sinh học xảy ra trong cùng hệ thống Tùy thuộc vào mục đích, các mô hình chất lượng nước nhìn chung có thể được phân loại thành các mô hình mô phỏng (để dự đoán các thay đổi trong chất lượng nước do
ô nhiễm) và các mô hình tối ưu (để phân bổ tối ưu các nguồn tài nguyên) Hình 1
Hình 1 Các dạng mô hình chất lượng nước
Các mô hình tối ưu có thể được
phân loại chi tiết hơn thành mô hình quy
hoạch tuyến tính, mô hình quy hoạch phi
tuyến và mô hình quy hoạch động Mô
hình vật lý được thiết lập để thu được
các kết quả liên quan đến hệ thực theo
một tỷ lệ nhất định, trong khi mô hình
toán dựa trên các phương trình toán học
để mô phỏng chất lượng nước
Các mô hình toán cũng có thể được
phân loại chi tiết hơn dựa trên cơ sở mô
tả các quá trình mô phỏng theo phương pháp thống kê hoặc kinh nghiệm hoặc cơ học; theo loại dữ liệu gồm hồi quy và ngẫu nhiên; phân loại theo giải pháp mô hình gồm mô hình số học và mô hình phân tích; phân loai theo mức độ biểu diễn chia làm
mô hình phân bố và mô hình tập trung
4 Chuẩn hóa các mô hình chất lượng nước mặt
Để sử dụng các mô hình mô phỏng
và dự báo chất lượng nước trong các
Trang 5báo cáo quan trọng (ví dụ, báo cáo đánh
giá tác động môi trường nước) cần đảm
bảo chúng đã được chuẩn hóa, sẵn có và
đáng tin cậy Do vậy, các cơ quan quản
lý môi trường cần lập danh sách các mô
hình chất lượng nước để đảm bảo tính
nhất quán Các mô hình này có thể được
phổ biến, điều chỉnh và chuẩn hóa thông
qua các chỉ số đánh giá và hệ thống tiêu
chuẩn quốc gia, hoặc bằng cách xuất bản
các bài báo, tổ chức các hội thảo, hoặc
trao đổi làm việc cộng đồng địa phương
Ví dụ, USEPA giữ vai trò tổ chức các hội
thảo khoa học thường niên để xác nhận
và cập nhật các mô hình quản lý [9]
Hội đồng châu Âu tổ chức các hội thảo
thường niên để đánh giá tính nhất quán
của các mô hình chất lượng nước Ngoài
ra, các mô hình được chuẩn hóa có thể
được tải miễn phí và có mã nguồn mở
Các viện nghiên cứu chuyên sâu về
các mô hình chất lượng nước đã và đang
được xây dựng để tiến hành nhiều nghiên
cứu để điều chỉnh và chuẩn hóa các mô
hình chất lượng nước ở một số khu vực
hoặc quốc gia trên thế giới Các nhà khoa
học đã đề xuất một số mô hình dự báo
dựa trên các yêu cầu quản lý môi trường
So với các quốc gia khác, hầu hết các mô
hình môi trường nước đều được chuẩn
hóa ở Mỹ Các trung tâm nghiên cứu về
nước trực thuộc USEPA tập trung vào các
nghiên cứu liên quan tới công tác quản lý
và bảo vệ tài nguyên nước, các nguyên lý
và các phương pháp được áp dụng trong
thực tiễn, các mô hình toán, các công cụ
tính toán, và cơ sở dữ liệu Trong khi đó,
USEPA cũng cung cấp cơ sở lý thuyết,
quy trình áp dụng mô hình cho một số
dự án cụ thể và kèm theo những lưu ý
trong quá trình áp dụng cho các đơn vị có
nhu cầu Bên cạnh đó, quá trình này cũng
luôn được cải tiến kèm theo việc liên tục
đánh giá mức độ tin cậy của các mô hình
Bên cạnh đó, USEPA cũng cho phép tập
đoàn Tetra Tech Inc thực hiện dự án đánh
giá khả năng mô phỏng, tính hiệu dụng
và phạm vi sử dụng của hơn 60 mô hình
Đến năm 2009, USEPA đã xuất bản được
các hướng dẫn cải tiến, đánh giá và ứng dụng các mô hình môi trường Bên cạnh
bộ tài liệu hướng dẫn, hội đồng kiểm soát mô hình hóa môi trường của USEPA cũng cung cấp các nền tảng mô hình trên website Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ,
cơ quan quản lý tình trạng khẩn cấp liên bang và công binh lục quân Hoa Kỳ cũng phát triển các mô hình chất lượng nước cùng các hướng dẫn chi tiết
Tương tự, Viện nghiên cứu chuyên sâu về sự phát triển và đánh giá mô hình được thành lập bởi Cơ quan môi trường Liên hiệp Anh (UKEA) đã giúp UKEA hoàn thiện khung cơ chế đánh giá tác động của sự ô nhiễm đất tới nước dưới đất và nước mặt, từ đó đề xuất các giải pháp phù hợp, cũng như kiến nghị các phương pháp và các mô hình dự báo chất lượng nước mặt Nhóm thanh tra ô nhiễm của Her Majesty ở Anh (HerMajesty’s Inspectorate of Pollution - HMIP) đã đề xuất 54 mô hình chất lượng nước mặt
và các điều kiện áp dụng cho sự đánh giá ô nhiễm sông, hồ, cửa sông và biển Aspinwall và Company đã đề xuất 11 mô hình áp dụng cho các điều kiện khác nhau bao gồm 1 mô hình một chiều, 4 mô hình hai chiều, và 6 mô hình ba chiều Ở Hàn Quốc, Bộ Môi trường đã đưa ra một kế hoạch tổng thể cho công tác quản lý môi trường nước vào năm 2006, Bộ này đưa ra
6 mô hình dự báo chất lượng nước, trong
đó mô hình QUAL2E và EFDC được
sử dụng rộng rãi Các mô hình MIKE
và TUFLOW cũng được ứng dụng rộng rãi để dự báo chất lượng nước bề mặt ở Australia Bộ mô hình MIKE được ứng dụng ở Đan Mạch để giải quyết các vấn
đề về sinh thái, và hóa học môi trường
Ở Trung Quốc, mô hình chất lượng nước DELFT 3D được sử dụng để mô phỏng chất lượng môi trường nước ở Hongkong
từ những năm 1970 và hiện đã trở thành
mô hình chuẩn của Cơ quan môi trường Hồng Kông Cục bảo vệ môi trường Đài Loan đã ban hành văn bản hướng dẫn các phương pháp đánh giá tác động môi trường và đưa ra danh sách các mô hình
Trang 6chất lượng nước với những điều kiện áp
dụng khác nhau Tuy nhiên, hầu hết các
mô hình như các mô hình MIKE, mô hình
EFDC, và mô hình Deft 3D được áp dụng
để mô phỏng chất lượng môi trường nước
ở các viện nghiên cứu môi trường Hiện
nay, có các báo cáo đã chỉ ra sự khác biệt
giữa các kết quả giữa các mô hình khác
nhau, cũng như tính phù hợp và độ nhạy
thông số của những mô hình này
Vai trò của việc chuẩn hóa các mô
hình chất lượng nước mặt là:
(1) Nghiên cứu các mô hình chất
lượng nước đang được sử dụng để đánh
giá hiện trạng môi trường Hiểu rõ các
cơ chế của mô hình, các điều kiện và
phạm vi áp dụng phù hợp, các thông số
mô hình, tính ổn định, và các khác biệt
trong kết quả mô hình
(2) Xây dựng cơ sở dữ liệu và các
kịch bản cho các mô hình thông qua thực
nghiệm, đo đạc và hoạt động quan trắc
(3) So sánh kết quả trong các mô
hình khác nhau nhằm giải quyết, phân
tích các dữ liệu đầu vào và đầu ra, các
phương trình, các nguyên lý và các
phương pháp tính toán của các mô hình
dựa trên việc nghiên cứu một số kịch
bản sẵn có
(4) Cung cấp các chỉ số sàng lọc và
các phương pháp thẩm định cho các mô
hình Thiết lập hệ thống thẩm định cho
mô hình và chuẩn hóa các hình thức dữ
liệu đầu vào và đầu ra Chuẩn hóa một
số các mô hình và lập danh sách các
mô hình đã chuẩn hóa từ đó giải quyết
các bài toán quản lý môi trường tại mỗi
quốc gia
(5) Đưa ra các phương pháp hiệu
chỉnh và kiểm định, quản lý truy cập các
mã nguồn, đề xuất ý nghĩa của các thông
số trong mô hình và đề nghị các khoảng
giá trị cho các thông số theo từng vùng
(6) Cung cấp giao diện sử dụng mô
hình bằng ngôn ngữ quen thuộc và xuất
bản sổ tay sử dụng mô hình gồm dữ liệu
đầu vào mô hình (truy cập dữ liệu, xử lý
số liệu), cấu trúc mô hình, hiệu chỉnh mô hình, kiểm định mô hình, đánh giá các thông số và kết quả đầu ra của mô hình
5 Xu hướng phát triển mô hình chất lượng nước
Cùng với sự phát triển của các mô hình chất lượng nước, công tác quản lý chất lượng nước cũng sẽ ngày một được cải thiện, tuy nhiên vẫn còn nhiều thách thức Các mô hình luôn cần bộ số liệu đầu vào lớn và ổn định, các số liệu cần đảm bảo độ chính xác, tính đại diện, và
có tính hệ thống Các mô hình không mô phỏng cơ chế ô nhiễm và cũng không chỉ ra sự xâm nhập của các chất ô nhiễm trong quá trình vận động, do đó có thể
có khoảng cách lớn giữa thực tế và kết quả mô phỏng Nếu các thông số được lựa chọn không chính xác thì kết quả của mô hình sẽ không chính xác
Theo như những hiểu biết và kinh nghiệm thu được từ việc áp dụng mô hình chất lượng nước cho các trường hợp khác nhau cũng như các vấn đề đã phải giải quyết, xu hướng phát triển hiện tại của các mô hình chất lượng nước như sau:
Các mô hình kết hợp
Cùng với sự phát triển của các mô hình chất lượng nước, ngày càng nhiều các yếu tố được xem xét đưa vào mô hình Các mô hình độc lập không thể đủ sức mô phỏng tất cả các yếu tố, vì vậy cần thiết phải có các mô hình kết hợp Một mô hình kết hợp có thể bao gồm hai hoặc ba mô hình độc lập để mô phỏng các yếu tố khác nhau Ví dụ, đã kết hợp
ba mô hình: một mô hình thủy động lực, một mô hình trầm tích, và mô hình địa sinh hóa để thu được kết quả mô phỏng phù hợp nhất Có rất nhiều khu vực ven biển và cửa sông đã được thử nghiệm sử dụng mô hình phức hợp để kiểm nghiệm các kịch bản sẵn có Một mô hình kết hợp thường được sử dụng để giúp kiểm nghiệm lại các giả thiết tiềm năng và trạng thái tương lai thực của khu vực cửa sông và phản ánh hiện trạng ô nhiễm và
Trang 7các biến đổi về môi trường liên quan đến
việc cải thiện các biện pháp xử lý chất
thải, thay đổi dòng chảy và các thay đổi
khác trong lưu vực sông đó
Áp dụng các phương pháp mạng trí
tuệ nhân tạo
Các mô hình quen thuộc hiện nay
như SWAT, MIKE 11, QUAL-2E là
những mô hình cơ học, chúng bao gồm
một loạt các quá trình sinh học, vật lý
và hóa học đang tồn tại, tuy nhiên lại
không thể kiểm soát được các quy luật
riêng của chính mô hình đó, và vì vấn
đề này, các mô hình không - cơ học cần
được phát triển Các mô hình không - cơ
học có thể vận hành theo quy luật của
môi trường nước sử dụng các dữ liệu từ
các quan sát thực nghiệm, trong khi việc
đánh giá độ chính xác từ mô hình có thể
dùng các mô hình cơ học Dữ liệu thực
nghiệm quan sát được có thể được phát
triển bởi các mô hình ngẫu nhiên để thu
được các thông số hệ thống và các thông
số môi trường cho các mô hình cơ học,
vì vậy các mô hình kết hợp sẽ trở nên
đáng tin cậy và chính xác hơn
Ngoài ra, các mô hình có thể kết
hợp với các thuật toán tin học như mạng
lưới trung gian, thuật toán di truyền
và luận cứ fuzzy và các thuật toán cơ
vector hỗ trợ (support vector machine)
Để đạt hiệu quả hơn, cần nhiều hơn các
mô hình được phát triển kết hợp với các
thuật toán tin học trong tương lai
Tích hợp hệ thống
Tích hợp viễn thám, thông tin địa lý
và các hệ thống định vị toàn cầu (Remote
sensing - RS, Geographic Information
System - GIS và Global Position System
- GPS) còn gọi là 3S vào trong mô hình
Tuy nhiên, sử dụng 3S yêu cầu cơ sở dữ
liệu lớn, hệ thống lưu trữ, quản lý, sắp
xếp và khả năng khôi phục dữ liệu tốt
mới có thể giải quyết các vấn đề của các
mô hình chất lượng nước truyền thống
trong quá trình thu thập và xử lý khối
lượng đồ sộ các cơ sở dữ liệu RS có thể
được tích hợp với các thông tin về đất,
thực vật, khí tượng và nước để xác định các đặc trưng dòng chảy và các thông
số mô hình để thu được các kết quả có ý nghĩa GIS có vai trò lớn trong việc phân tích không gian và cho phép mô phỏng lại các thông tin môi trường nước từ một bảng dữ liệu đơn dưới dạng một đồ thị trực quan và ảnh động GPS có khả năng xác định được thời gian và tốc độ chính xác Do đó, một số mô hình đã kết hợp với GIS như bộ MIKE, SWAT và HSPE Như vậy, sự kết hợp của mô hình toán truyền thống với 3S sẽ là xu hướng quan trọng trong sự phát triển của mô hình chất lượng nước trong tương lai
Cuối cùng, cần nhấn mạnh rằng,
xu hướng phát triển chung của mô hình chất lượng nước là mô phỏng trong các lưu vực tích hợp Với các mô hình dạng này, các quá trình mô phỏng chất lượng nước bao gồm một mođun của mô hình tổng thể gồm các mođun mô phỏng các quá trình liên quan, mà hầu hết là chất lượng nước Các kỹ thuật và công cụ thông tin địa lý hiện đại được tích hợp
để tăng tính khả thi của mô hình bằng cách thực tế hóa các quá trình mô phỏng theo không gian và thời gian
6 Kết luận
Mô hình chất lượng nước là các phần mềm, công cụ tính toán các chỉ tiêu phản ánh chất lượng nước Trên cơ sở tổng quát về lịch sử phát triển mô hình, phân loại dạng mô hình chất lượng nước, đánh giá xu thế phát triển mô hình chất lượng nước, bài báo đã chỉ ra một bức tranh chung về mô hình chất lượng nước Tuỳ thuộc đối tượng nghiên cứu, cách tiếp cận, các giả thiết khi thiết lập, các thông số và mối quan hệ giữa các quá trình khi thiết lập phương trình và các phương pháp số được áp dụng để tính toán mà mỗi mô hình có những thế mạnh
và hạn chế khác nhau Chính vì vậy, cho đến nay có rất nhiều mô hình chất lượng nước đã và đang tiếp tục phát triển Những yêu cầu về cơ sở dữ liệu quan trắc thực tế, cũng như sự phức tạp của các quá trình vật lý, hoá học, sinh học của nguồn