NGHIÊN cứu TÍNH TOÁN PHÂN bố hợp lý các NGUỒN THẢI và xác ĐỊNH tải LƯỢNG ô NHIỄM NGÀY tối đa PHỤC vụ KIỂM SOÁT và QUẢN lý CHẤT LƯỢNG môi TRƯỜNG nước lưu vực SÔNG ở VIỆT NAM

Để phục vụ cho công việc quản lý và cải thiện môi trường lưu vực sông trên phạm vi cả nước việc triển khai thực hiện đề tài “Nghiên cứu tính toán phân bố hợp lý các nguồn thải và xác đị

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI KHCN THUỘC CÁC HƯỚNG

KHCN ƯU TIÊN CẤP VIỆN HÀN LÂM KHCNVN

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN PHÂN BỐ HỢP LÝ CÁC NGUỒN THẢI VÀ XÁC ĐỊNH TẢI LƯỢNG

Ô NHIỄM NGÀY TỐI ĐA PHỤC VỤ KIỂM SOÁT VÀ QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG NƯỚC

LƯU VỰC SÔNG Ở VIỆT NAM

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI KHCN THUỘC CÁC HƯỚNG

KHCN ƯU TIÊN CẤP VIỆN HÀN LÂM KHCNVN

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN PHÂN BỐ HỢP LÝ

CÁC NGUỒN THẢI VÀ XÁC ĐỊNH TẢI LƯỢNG Ô NHIỄM NGÀY TỐI ĐA PHỤC VỤ KIỂM SOÁT VÀ QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG

Ở VIỆT NAM

Mã số: VAST07.05/2018-2019 Hướng KHCN ưu tiên: Môi trường và năng lượng (VAST07)

Đơn vị chủ trì: Viện Công nghệ môi trường

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Hà Ngọc Hiến

MỤC LỤC

Phần I Kết quả của đề tài 1

Mở đầu 1

1.1 BÁO CÁO KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ TÀI 3

1.1.1 Cơ sở khoa học tính toán phân bố hợp lý các nguồn thải dọc sông 3

(a) Phân bố nguồn thải trong trường hợp A=0 4

(b) Phân bố nguồn thải trong trường hợp A 0 5

(c) Áp dụng cho đoạn sông cụ thể 7

1.1.2 Lựa chọn và tích hợp phần mềm tính toán 9

(a) Đánh giá các phần mềm tính lan truyền ô nhiễm vào sông 9

(b) Lựa chọn và tích hợp mô hình mô phỏng cho lưu vực sông Cầu 11

1.1.3 Kết quả thiết lập mô hình và tính toán tải lượng tối đa ngày cho một số đoạn sông thuộc lưu vực sông Cầu 13

(a) Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình QUAL2K 14

(b) Kết quả tính toán sức chịu tải và khả năng tự làm sạch 15

1.1.4 Đề xuất quy trình tính toán tải lượng ô nhiễm ngày tối đa 22

1.1.5 Kết luận 23

1.2 BÁO CÁO CHI TIẾT 24

1.2.1 Tổng quan về sức chịu tải của nguồn nước sông 24

(a) Sức chịu tải và khả năng tự làm sạch của dòng chảy 24

(b) Các quá trình vật lý của cơ chế tự làm sạch trong nguồn nước 25

(c) Các quá trình chính liên quan đến nồng độ ôxy hòa tan 28

(d) Phát triển của thực vật phù du (tảo chlorophyll-A) 31

(e) Phát triển của sinh vật đáy (Bottom algea) 39

(f) Chu trình Ni tơ 43

(g) Chu trình Phốt pho 47

(h) Tổng quan về khái niệm sức chịu tải (Loading capacity) của dòng sông 49

(i) Kinh nghiệm quốc tế liên quan đến đánh giá sức chịu tải 51

(j) Kinh nghiệm ở Việt Nam 56

1.2.2 Phương pháp nghiên cứu 62

1.2.3 Cơ sở khoa học tính toán phân bố hợp lý các nguồn thải và xác định tải lượng ô nhiễm ngày tối đa 62

(a) Đặt bài toán 63

(b) Mô hình toán học 63

(c) Kết quả xác định phân bố nguồn thải trong trường hợp A=0 64

(d) Kết quả phân bố nguồn thải trong trường hợp A 0 66

(e) Áp dụng cho đoạn sông cụ thể 68

1.2.4 Lựa chọn và tích hợp phần mềm tính toán 71

(a) Đánh giá các mô hình tính tải lượng ô nhiễm vào sông 71

(b) Lựa chọn và tích hợp mô hình mô phỏng cho lưu vực sông Cầu 82

ii

1.2.5 Kết quả tính toán tải lượng tối đa ngày cho một số đoạn sông thuộc lưu vực

sông Cầu 83

(a) Tổng quan về lưu vực sông Cầu 83

(b) Ước tính tải lượng ô nhiễm cho khu vực nghiên cứu 87

(c) Xây dựng mô hình QUAL2K cho khu vực nghiên cứu 96

(d) Kết quả kiểm định mô hình chất lượng nước cho đợt khảo sát 2018 107

(e) Tính toán sức chịu tải cho các đoạn sông trên lưu vực sông Cầu 112

(f) Ước tính tải lượng xả thải hiện trạng và khả năng tiếp nhận của các đoạn sông 121 1.2.6 Đề xuất quy trình tính toán tải lượng ô nhiễm ngày tối đa 122

(a) Cơ sở để đánh giá sức chịu tải của đoạn sông 122

(b) Đề xuất quy trình đánh giá sức chịu tải đoạn sông 126

1.2.7 Đề xuất các giải pháp bảo vệ, kiểm soát môi trường nước cho vùng nghiên cứu131 1.3 MINH CHỨNG VỀ CÁC KẾT QUẢ CÔNG BỐ VÀ ĐÀO TẠO 133

1.3.1 Bản photocopy toàn văn bài báo từ tạp chí hoặc giấy chấp nhận đăng bài; 133

1.3.2 Bản Photocopy bằng Tiến sỹ, Thạc sỹ hoặc các văn bản xác nhận của các cơ quan đào tạo (Giấy xác nhận, Quyết định thành lập hội đồng, Bảng điểm bảo vệ, ).133

Kết luận và kiến nghị 135

Tài liệu tham khảo 137

Phụ lục 141

Minh chứng sản phẩm bài báo và đào tạo 141

Báo cáo khảo sát thực địa 141

Đề cương đã phê duyệt Error! Bookmark not defined. Phần II: Hồ sơ đề tài 141

BẢNG CHỮ VIẾT TẮT

Thuộc Tổng cục môi trường

DHI

Dansk Hydraulisk Institut (Danish Hydraulic Institute)/Viện thủy lực Đan mạch

EPA Environmental Protection Agency/Cục

HEC-RAS

Hydrologic Engineering Center's (CEIWR-HEC) River Analysis System/Phần mềm HEC-RAS phân tích,

mô phỏng dòng chảy sông

Phát triển bởi Công ty kỹ nghệ,

Bộ quốc phòng Mỹ

IET Institute of Environmental

Technology/Viện Công nghệ môi trường

MIKE11 Phần mềm mô phòng dòng chảy và chất

lượng nước sông

Phát triển bởi DHI Đan Mạch, phần mềm thương mại MONRE Ministry of Natural Resource and

Environment/Bộ tài nguyên môi trường

NOAA

National Oceanic and Atmospheric Administration/Đoàn Ủy nhiệm Quản trị Khí quyển và Đại dương Quốc gia Mỹ

mô phỏng nước và xói mòn đất

Phát triển bởi EPA

và các đạihọc Mỹ,

sử dụng miễn phí TMDL Total Maximum Daily Load/ Tải lượng

TPLCS Total pollution load control system/Hệ

thống Kiểm soát tổng tải lượng ngày

Quy trình bảo vệ chất lượng nước ở Nhật

TPLMS Total Pollution Loads Management System/Hệ thống quản lý tổng tải lượng

thải ra môi trường nước

Quy trình bảo vệ chất lượng nước ở Hàn Quốc

UNEP

United Nations Environment Programme/Chương trình môi trường liên hiệp quốc

USEPA Water Quality Analysis

Simulation Program/ Chương trình phân tích, mô phỏng chất lượng nước Cục bảo

vệ môi trường Mỹ

Phần I Kết quả của đề tài

Mở đầu

Trong những năm vừa qua, quá trình phát triển kinh tế - xã hội tại các lưu vực sông diễn ra đặc biệt sôi động, nhất là tại các vùng kinh tế trọng điểm nằm ở khu vực hạ lưu các lưu vực sông lớn hoặc cửa sông ven biển Tuy nhiên, chất lượng môi trường nước (CLN) tại các lưu vực sông đang bị suy thoái ở nhiều nơi, đặc biệt ở các đoạn sông chảy qua các khu vực đô thị, khu công nghiệp (KCN), làng nghề Các con sông thường là nguồn cung cấp nước sinh hoạt chính cho người dân phía hạ lưu Đặc biệt người dân ở vùng nông thôn và những người có thu nhập thấp thường sử dụng trực tiếp nước sông, hồ

bị ô nhiễm, đây là nguyên nhân gây ra nhiều bệnh tật, tác động trực tiếp đến điều kiện sống, sức khỏe nhân dân và ảnh hưởng đến điều kiện phát triển kinh

tế - xã hội Tình trạng ô nhiễm, suy thoái chất lượng nước các sông, suối, kênh, rạch đã được phản ánh nhiều tại các kỳ họp Quốc hội cũng như trên các phương tiện thông tin đại chúng

Đánh giá sức chịu tải (SCT) hay khả năng chịu tải là một cách tiếp cận

để ngăn ngừa sự quá tải môi trường do chất thải của con người và các hoạt động của họ Ở Việt Nam, khái niệm này cũng được hiểu như sau: “Sức chịu tải/Khả năng chịu tải của thủy vực là tổng tải lượng chất thải có thể đưa vào thủy vực sao cho thủy vực vẫn còn có khả năng tự làm sạch để đạt yêu cầu sử dụng, nghĩa là đạt tiêu chuẩn, quy chuẩn chất lượng quy định cho mục đích sử dụng” Từ kết quả tính toán sức chịu tải, các nhà quản lý sẽ xác định và phân

bổ hạn ngạch xả nước thải cho các đối tượng xả thải cụ thể trên lưu vực Sức chịu tải và hạn ngạch xả nước thải là một trong những căn cứ phục vụ lập hoặc điều chỉnh quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội và quy hoạch phát triển ngành, lĩnh vực; xem xét chấp thuận chủ trương đầu tư, chứng nhận đầu tư cho các dự án trên lưu vực sông phục vụ mục tiêu phát triển bền vững

Để phục vụ cho công việc quản lý và cải thiện môi trường lưu vực sông

trên phạm vi cả nước việc triển khai thực hiện đề tài “Nghiên cứu tính toán

phân bố hợp lý các nguồn thải và xác định tải lượng ô nhiễm ngày tối đa phục vụ kiểm soát và quản lý chất lượng môi trường nước lưu vực sông ở Việt Nam” với các mục tiêu dưới đây là hết sức cần thiết:

 Xác lập cơ sở khoa học tính toán phân bố hợp lý các nguồn thải và xác định tải lượng ô nhiễm ngày tối đa trên cơ sở các mô hình số có tính đến đầy đủ các quá trình tự làm sạch và các dạng nguồn thải khác nhau

 Xác định tải lượng ngày tối đa ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng cho một

số đoạn sông thuộc lưu vực sông Cầu

 Đề xuất quy trình tính toán tải lượng ô nhiễm ngày tối đa và giải pháp quản lý chất lượng nước lưu vực sông

Các phương pháp nghiên cứu sử dụng trong đề tài bao gồm: (1)

Phương pháp kế thừa: đề tài kế thừa kết quả thiết lập mô hình CLN cho sông

Cầu, các số liệu KTTV, ô nhiễm trên sông Cầu đã được thực hiện tại Viện

CNMT; (2) Phương pháp khảo sát thực địa: Đề tài tiến hành khảo sát thực địa

để bổ sung các số liệu cần thiết trong việc kiểm định mô hình CLN; (3)

Phương pháp thông kê: Xử lý số liệu KTTV, xây dựng kịch bản dòng chảy

mùa kiệt 7Q10…(4) Phương pháp giải tích toán học: Thu nhận lời giải giải tích cho bài toán phân bố nguồn thải; (5) Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng

để mô phỏng CLN trong sông và xác định sức chịu tải ô nhiễm cho các đoạn sông

Báo cáo kết quả nghiên cứu của đề tài được trình bày trong 2 phần Phần 1 trình bày Kết quả của đề tài và Phần 2 trình bày Hồ sơ của đề tài (theo mẫu báo cáo của Viện Hàn lâm KH&CN VN) Phần 1 bao gồm 3 mục chính: (1) Báo cáo kết quả đạt được của đề tài; (2) Báo cáo chi tiết kết quả đề tài; (3) Minh chứng về kết quả công bố và đào tạo Phần 2 bao gồm các hồ sơ phục

vụ việc lưu trữ, quản lý đề tài

1.1 BÁO CÁO KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ TÀI

Phần này trình bày tóm tắt các kết quả chính đạt được của đề tài (giới hạn trong 20 trang)

1.1.1 Cơ sở khoa học tính toán phân bố hợp lý các nguồn thải dọc sông

Một trong các kết quả quan trọng của đề tài là đã tìm ra lời giải giải tích bài toán phân bố nguồn thải dọc sông ứng với sức chịu tải lớn nhất Bài toán được đặt ra đối với một chất ô nhiễm chịu ảnh hưởng của các quá trình pha loãng, truyền tải, lắng đọng và phân hủy trong các trường hợp: (a) không tính đến ảnh hưởng của các quá trình phân tán và (b) tính đến ảnh hưởng của quá trình phân tán và khuếch tán

Đặt bài toán

Xem xét đoạn sông độ dài L, thiết diện A và lưu lượng Q không đổi Nồng độ chất thải đầu vào đoạn sông là c0, hệ số suy giảm là  (gồm phân hủy, lắng đọng) Phân bố tải lượng xả thải hai bên bờ sông là (x) Tìm (x) sao cho tổng tải lượng hai bên bờ vào đoạn sông là lớn nhất Các điều kiện ràng buộc như sau:

(1) Nồng độ chất ô nhiễm trong đoạn sông không vượt quá tiêu chuẩn cho phép cmax

(2) Mật độ tải lượng xả thải trên một đơn vị độ dài dọc theo sông không vượt quá giới hạn max

Mô hình toán học

Đoạn sông biểu diễn trên trục tọa độ x từ tọa độ a,b (đoạn L= [a,b]) Trong trường hợp lưu lượng dòng chảy Q không đổi, bài toán xem xét là bài toán dừng

Phân bố nồng độ chất ô nhiễm định xác định bởi phương trình vi phân sau:

𝑣𝑑𝑐

𝑑𝑥 = 𝛼𝑑2𝑐

𝑑𝑥 2− 𝜆𝑐 + 𝜚(𝑥) (1.1) Trong đó c(x) [mg/L] nồng độ chất ô nhiễm; v=Q/A [m/s] vận tốc trung bình của dòng chảy;  [m2/s] hệ số phân tán dọc;  [1/s] hệ số suy giảm của chất ô nhiễm; (x) [mg/L.s] mật độ xả thải chất ô nhiễm dọc sông

Các điều kiện ràng buộc:

(1) 0<c(x)<cmax với x  [a,b]

(2) 0<(x)<max với x  [a,b]

Điều kiện biên (cho trước nồng độ đầu vào của đoạn sông):

(1) c(a)=c0

Bài toán tối ưu xác định sức chịu tải của đoạn sông:

Tìm (x) với x  [a,b] để 𝑇𝐿 = ∫ 𝜚(𝑥)𝑑𝑥𝑎𝑏 đạt cực đại

Khi đó tổng sức chịu tải của đoạn sông (tính cả tải lượng đầu nguồn) là

𝑆𝐶𝑇 = ∫ 𝜚(𝑥)𝑑𝑥𝑎𝑏 + 𝑐0𝑄 (1.2) cũng đạt cực đại

Để thuận tiện cho việc tìm lời giải giải tích, các phương trình trên được đưa

về dạng không thứ nguyên, với các biến không thứ nguyên như sau:

𝑥̃ = (𝑥−𝑎)

𝐿 ; 𝑐̃ = (𝑐(𝑐−𝑐0)

𝑚𝑎𝑥 −𝑐0); 𝜌̃(𝑥̃) = 𝜌(𝑥) (1.3) Sau khi bỏ dấu “~”, phương trình (1.1) trở thành:

𝐿𝑣(𝑐𝑚𝑎𝑥 − 𝑐0)𝜌(𝑥) − Λ𝑐̃0Với các điều kiện ràng buộc:

−Λ𝑐̃0 = 𝑅0 ≤ 𝑅(𝑥) ≤ 𝑅𝑚𝑎𝑥 = 𝐿𝜌𝑚𝑎𝑥

𝑣(𝑐𝑚𝑎𝑥 − 𝑐0)− Λ𝑐̃0

−𝑐̃0 ≤ 𝑐(𝑥) ≤ 1 Với điều kiện biên:

(a) Phân bố nguồn thải trong trường hợp A=0

Phương trình (1.4) khi A=0 có dạng:

𝑑𝑐

𝑑𝑥 = −Λ𝑐 + 𝑅(𝑥) (1.6) Phương trình này với điều kiện biên như trên có nghiệm duy nhất:

𝑅𝑐 = Λ(1 − 𝑒−Λ)

𝑇𝐿 = 𝑣(𝑐𝑚𝑎𝑥 − 𝑐0)𝑅𝑚𝑎𝑥 + 𝐿𝜆𝑐0Tổng sức chịu tải của đoạn sông sẽ là:

𝑆𝐶𝑇 = 𝑣(𝑐𝑚𝑎𝑥 − 𝑐0)𝑅𝑚𝑎𝑥 + 𝐿𝜆𝑐0+ 𝑐0𝑄

Trường hợp R max >Rc,

Lời giải có c(1)=1 và tích phân c(x) trên [0,1] đạt cực đại sẽ là lời giải tối ưu Khi đó hàm R(x) cần có giá trị cực đại xuất phát từ điểm x=0 tới điểm x0 nào đó, có nghĩa là R=Rmax trong đoạn [0,x0] để tại x0 ta có c(x)=1 Từ đó giá trị x0 được xác định như sau:

𝑥0 = −1

Λln (1 − Λ

𝑅𝑚𝑎𝑥) (1.7) Trên đoạn [x0,1] để tích phân TL lớn nhất, cần duy trì c(x)=1, có nghĩa

𝑆𝐶𝑇 = 𝑣(𝑐𝑚𝑎𝑥 − 𝑐0) [Λ + (1 −𝑅𝑚𝑎𝑥

Λ ) ln (1 −

Λ

𝑅𝑚𝑎𝑥)] + 𝐿𝜆𝑐0+ 𝑐0𝑄

(b) Phân bố nguồn thải trong trường hợp A0

Tương tự như trường hợp trên tồn tại giá trị Rc để khi Rmax<Rc, giá trị nồng độ c(x) không vượt qua giá trị 1 Vậy:

Với Rmax<Rc

Ta có: R=Rmax

Nghiệm tổng quát của phương trình:

1

Tích phân trên đạt cực đại khi tồn tại điều kiện để ba số hạng đồng thời

đạt cực đại Số hạng 1 đạt cực đại khi c(x) tăng nhanh nhất đến 1 và giữ giá trị

1 đến x=1, điều kiện này hoàn toàn phù hợp với đều kiện để số hạng 2 và 3

của vế phải phương trình (1.12) đạt cực đại với c(1)=1 (vì λ2<0 nên 1- λ2A>0)

và dc/dx đạt cực đại

Bài toán tối ưu được đưa về bài toán sau: Cần tìm x0 để c(x) tăng nhanh

nhất lên 1 từ 0 đến x0 và sau đó c(x) giữ nguyên giá trị cực đại c(x)=1 (từ x0

đến 1) Để c(x) tăng nhanh nhất ta có R=Rmax Để c(x)=const=1, ta có

Giải hệ phương trình với điều kiện x0[0,1] ta nhận được giá trị các

hằng số C1,C2 và x0 (phương trình này được giải trên Matlab)

Tổng tải lượng dọc sông sẽ là:

𝑇𝐿 = ∫ 𝜌(𝑥)𝑑𝑥 =𝑎𝑏 𝑣(𝑐𝑚𝑎𝑥 − 𝑐0) ∫ 𝑅(𝑥)𝑑𝑥01 + 𝐿𝜆𝑐0 (1.14) Trong đó:

∫ 𝑅(𝑥)𝑑𝑥

1

0

= 𝑥0𝑅𝑚𝑎𝑥 + (1 − 𝑥0)Λ Sức chịu tải của đoạn sông tính cả tải lượng từ thượng du sẽ là:

𝑆𝐶𝑇 = 𝑣(𝑐𝑚𝑎𝑥 − 𝑐0)[𝑥0𝑅𝑚𝑎𝑥 + (1 − 𝑥0)Λ] + 𝐿𝜆𝑐0 + 𝑐0𝑄

(1.15)

(c) Áp dụng cho đoạn sông cụ thể

Xem xét đoạn sông có các đặc tính sau (Hình 1.1):

• Hệ số phân hủy (phân rã, lắng đọng …): =0.2/ngày

• Hệ số phân tán (khuếch tán phân tử và khuếch tán rối):  (m2/s)

• Nồng độ C tại đầu vào thượng du: c0=4 mg/L

• Nồng độ cho phép: cmax=15 mg/L

• Mật độ xả thải cho phép ven bờ: max=0.1 mg/L.s (tương đương 8.64 kg/m/ngày/m2)

Hình 1.1 Minh họa đoạn sông cụ thể

Trường hợp hệ số phân tán (khuếch tán phân tử và khuếch tán rối): = 0

Thượng nguồn (kg/ngày) x 0 (m)

Phân bố nồng động c dọc sông và tải lượng dọc sông được trình bày trong hình vẽ 1.2a và 1.2b dưới đây:

Hình 1.2a Phân bố nồng độ dọc sông Hình 1.2b Phân bố tải lượng dọc

Phân bố nồng động c dọc sông và tải lượng dọc sông được trình bày

trong hình vẽ 1.3a, 1.3b đưới đây:

sông

Có thể nhận thấy rằng trong trường = 40 (m 2 /s) sức chịu tải của đoạn

sông tăng lên khoảng 128002 kg/ngày (khoảng 49%) so với trường hợp =0,

và khoảng cách x0 tăng lên khoảng 50 m Như vậy ảnh hưởng của hệ số phân tán là đáng kể đến SCT của đoạn sông và cần được xem xét đến trong tính toán

1.1.2 Lựa chọn và tích hợp phần mềm tính toán

(a) Đánh giá các phần mềm tính lan truyền ô nhiễm vào sông

Các phần mềm được sử dụng tính toán lan truyền chất ô nhiễm trong sông đã sử dụng ở Việt Nam gồm có: MIKE11, HEC-RAS, QUAL2E/2K, WASP Nói chung, tất cả các phần mềm đều được xây dựng dựa mô hình thủy lực mô tả bởi phương trình Saint-Venant 1 chiều đối với dòng chảy và phương trình truyền tải – khuếch tán đối với các chất ô nhiễm (MIKE11, HEC-RAS) Các mô hình đơn giản hơn dựa trên nguyên tắc bảo tồn khối lượng và các công thức bán thực nghiệm (QUAL2E/2K, WASP)

Kết quả đánh giá các phần mềm được trình bày dưới dạng các bảng mô

tả và so sánh những khía cạnh khác nhau của các mô hình nêu trên, bao gồm:

- Các đặc trưng chính;

- Các yếu tố chất lượng nước được mô phỏng, tính toán;

- Khả năng của mô hình;

- Nhu cầu về dữ liệu đầu vào;

- Sự tiện dụng

So sánh mô hình: các đặc điểm chính

Mô hình Tác giả Chế độ dòng chảy Hệ điều hành phần mềm Mức độ phổ biến ở VN

QUAL2E

WINDOWS Ít phổ biến HEC-RAS Công ty Kỹ nghệ

Quân đội Mỹ Dừng và Không dừng WINDOWS Phổ biến MIKE 11 DHI, Đan Mạch Không dừng WINDOWS Phổ biến

So sánh mô hình: Các yếu tố chất lượng nước tính toán được

N tổng X X X

Ghi chú: O – Người sử dụng có thể tự mô hình hóa

So sánh mô hình: Khả năng của mô hình

gian

Theo không gian

Thủy vực Nguồn thải Loại tải lượng

hồ, bể chứa

Nguồn điểm

và phân tán

Bất biến hoặc thay đổi theo thời gian

dừng 1, 2 chiều Mạng lưới sông suối Nguồn điểm và phân tán

Bất biến hoặc thay đổi theo thời gian

dừng 1, 2 chiều Mạng lưới sông suối Nguồn điểm và phân tán

Bất biến hoặc thay đổi theo thời gian

So sánh mô hình: yêu cầu dữ liệu đầu vào

Mô hình Hình học Khí tượng Thủy văn Thủy lực Chất lượng

nước

QUAL2E/Q

UAL2K

Chiều dài sông; sơ đồ

hệ thống sông; Độ dài các đoạn sông tính toán

Độ che phủ mây,

áp suất không khí, độ ẩm, nhiệt

độ, tốc độ gió,

hệ số bốc hơi, bức xạ mặt trời,

hệ số giảm bụi, khí hậu theo nhánh sông

Mực nước, lưu lượng tại biên

Ma sát đáy, chiều rộng đáy, cạnh bên

và độ dốc của mặt cắt hình thang

Nồng độ, lưu lượng nguồn thải và điều kiện biên đối với tất cả thông số mô phỏng

WASP

Chiều dài, chiều rộng

và hướng kênh/sông;

sơ đồ nối kết các ngánh; diện tích bề mặt

và độ sâu của các đoạn sông

Chuỗi số liệu theo thời gian của bức xạ mặt trời, tốc độ và hướng gió, chu

kỳ ánh sáng, nhiệt độ

Chuỗi số liệu theo thời gian của mực nước và lưu lượng dòng chảy đầu vào các nhánh

Hệ số hồi quy vận tốc/lưu lượng (thời gian chảy dừng, hình thái mặt cắt, cao độ đáy, ma sát đáy

Nồng độ, lưu lượng nguồn thải, điều kiện ban đầu

và điều kiện biên đối với tất cả thông

số mô phỏng

HEC-RAS

Chiều dài, chiều rộng

và hướng

Áp suất không khí, nhiệt độ, tốc

độ gió, hệ số bay

Chuỗi số liệu theo thời gian

Mặt cắt,

ma sát đáy

Nồng độ, lưu lượng nguồn thải, điều

kênh; sơ đồ nối mạng sông

hơi, khí hậu theo nhánh sông

của mực nước và lưu lượng dòng chảy đầu vào các nhánh

kiện ban đầu

và điều kiện biên đối với tất cả thông

số mô phỏng

MIKE 11

Chiều dài, chiều rộng

và hướng kênh; sơ đồ nối mạng sông

Áp suất không khí, nhiệt độ, tốc

độ gió, hệ số bay hơi, bức xạ mặt trời, hệ số suy giảm bụi, khí hậu theo nhánh sông

Chuỗi số liệu theo thời gian của mực nước và lưu lượng dòng chảy đầu vào các nhánh

Mặt cắt,

ma sát đáy

Nồng độ, lưu lượng nguồn thải, điều kiện ban đầu

và điều kiện biên đối với tất cả thông

Đánh giá chung

Mô hình

Khả năng mô phỏng chế độ thủy lực và chất lượng nước

Mức độ

mô phỏng theo không gian, thời gian

Độ chi tiết của kết quả

mô phỏng

Nỗ lực sử dụng mô hình (bao gồm yêu cầu dữ liệu đầu vào)

Đầu

tư về tài chính

thỏa mãn

Tương đối chấp nhận

Ít

thỏa mãn

Tương đối chấp nhận

Ít

thỏa mãn

Tương đối chấp nhận

Ít

Hoàn toàn chấp nhận được

Rất chi

(b) Lựa chọn và tích hợp mô hình mô phỏng cho lưu vực sông Cầu

Có thể đánh giá mô hình dựa trên 3 tiêu chí chủ yếu sau đây:

 CRT1: Khả năng mô hình hóa các đặc tính thuỷ văn và xả chất thải

 CRT2: Tính dễ dùng, bao gồm cả bước xử lý dữ liệu đầu vào và đầu ra,

hỗ trợ người dùng, tư liệu

 CRT3: Chi phí mua và khai thác phần mềm thấp, bao gồm cả yêu cầu vận hành

Dựa theo các kết quả so sánh ở trên, có thể lập ra bảng đánh giá như sau (theo thang điểm từ 1 đến 5):

- Trong trường hợp hệ sông không chịu ảnh hưởng của thủy triều, QUAL2E/QUAL2K, WASP;

- Nếu hệ thống sông chịu ảnh hưởng của thủy triều, HEC-RAS, MIKE11

Tích hợp giữa SWAT và QUAL2K được thực hiện như sau:

- Các biên đầu vào lưu lượng của QUAL2K tại các nhánh sông thượng

du được cho là lưu lượng trung bình nhận được từ SWAT mô hình SWAT tại các nhánh sông đó

- Đầu vào lưu lượng (phân tán) dọc sông của QUAL2K được cho là lưu lượng trung bình của dòng chảy tràn và dòng ngầm nhận được từ mô hình SWAT

- Nồng độ các chất ô nhiễm tại các biên lưu lượng xử lý dựa trên các số liệu đo đạc, các hệ số chảy tràn (runoff) và hệ số khử (removal rate) phụ thuộc vào đặc điểm lưu vực và các chất ô nhiễm

1.1.3 Kết quả thiết lập mô hình và tính toán tải lượng tối đa ngày cho một số đoạn sông thuộc lưu vực sông Cầu

Khu vực nghiên cứu được chia thành 58 tiểu lưu vực phục vụ cho việc tính toán tải lượng ô nhiễm phát thải vào sông trên cơ sở bản đồ DEM với độ phân giải 30 m (USGS) Hình 1.4 trình bày phân bố các tiểu lưu vực trong vùng nghiên cứu

Để phục vụ cho việc tính toán sức chịu tải đoạn sông nghiên cứu được chia thành các đoạn với mục đích sử dụng khác nhau Căn cứ vào kết quả phân vùng sử dụng nước trên sông Cầu (Tổng cục Môi trường, 2012) và kết quả phân chia tiểu lưu vực, dòng chính sông Cầu thuộc 3 tỉnh Thái Nguyên, Bắc Giang và Bắc Ninh (từ Chợ Mới đến Phả Lại) được chia thành 8 đoạn với các mục đích sử dụng khác như được trình bày trên Bảng 1.1

Hình 1.4 Phân bố mạng sông và tiểu lưu vực trong lưu vực sông Cầu

Bảng 1.1 Phân vùng sử dụng nước theo các đoạn trên lưu vực sông Cầu

Tên đoạn Từ điểm Đến điểm Độ dài

(km)

Yêu cầu CLN QCVN 08-MT:

2015

Tiểu LV

đổ trực tiếp

Đoạn 1 Chợ Mới

(trước hợp lưu S

Nginh Tường)

Đoạn 2

(trước hợp lưu S Nginh Tường)

Thác Huống 37 B1 28,30,33

Đoạn 3 Thác Huống trước S

Công 51 B1 35,36,41 Đoạn 4 trước S Công trước S Cà

(a) Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình QUAL2K

Mô hình chất lượng nước QUAL2K được thiết lập trên dòng chính sông Cầu từ Cầu Mới đến Phả lại Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định theo các số liệu thực đo trong các giai đoạn sau:

 Giai đoạn hiệu chỉnh: từ 11/03/2014 đến 19/03/2014 trên cơ sở số liệu quan trắc định kỳ bởi CEM tại 19 trạm quan trắc

 Giai đoạn kiểm định 1: từ 03/11/2014 đến 09/11/2014 trên cơ sở số liệu quan trắc định kỳ bởi CEM tại cùng 19 trạm quan trắc

 Giai đoạn kiểm định 2: từ 26/02/2018 đến 02/03/2018 trên cơ sở số liệu khảo sát của đề tài

Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định đánh giá theo các chỉ số khác nhau được trình bày trên các Bảng 1.2, 1.3.Theo Moriasi et al (2007), mô hình có mức độ đánh giá tốt và có thể đưa vào sử dụng trong thực tế

Bảng 1.2 Các chỉ số đánh giá trong giai đoạn hiệu chỉnh

Bảng 1.3 Các chỉ số đánh giá trong giai đoạn kiểm định

(b) Kết quả tính toán sức chịu tải và khả năng tự làm sạch

Trên cơ sở mô hình QUAL2K đã được thiết lập cho khu vực nghiên cứu, sức chịu tải của từng đoạn sông (Bảng 1.1) được tính toán với cho mùa kiệt với kịch bản thủy lực 7Q10 (trung bình 7 ngày nhỏ nhất 10 năm từ 2006-2015) tương ứng với lưu lượng tại trạm Gia Bẩy là 10.38 m3/s

Sức chịu tải đối với BOD

Sức chịu tải BOD đối với các đoạn sông được xác định khi tăng dần tải lượng (nguồn điểm và nguồn phân tán) BOD trong nước thải theo cùng tỷ lệ, cho đến khi nồng độ BOD tại một đoạn sông nào đó chạm tới ngưỡng cho phép theo QCVN Hình 1.5 cho thấy nồng độ BOD hiện trạng (đường đứt quãng) chưa đạt tới ngưỡng cho phép, do đó có thể tăng thêm tải lượng BOD

đổ vào các đoạn sông Sau một vài phương án tăng tải lượng BOD theo tỷ lệ nhất định, kết quả nhận được đường phân bố nồng độ dọc theo sông tương ứng với sức chịu tải của sông (đường liền) Có thể thấy rằng, nồng độ BOD ở cuối đoạn 4 đã gần chạm tới nồng độ tới hạn A2 (6mg/l) Nếu tăng tải lượng BOD xả thải vào sông thì nồng độ BOD đoạn 5 vượt QCVN quy định cho đoạn này (6 mg/L) Do đó kết quả này được sử dụng để xác định sức chịu tải của sông

Hình 1.5 Diễn biến nồng độ BOD dọc theo sông Cầu

Sức chịu tải và khả năng làm sạch BOD của các đoạn sông thuộc sông Cầu được trình bày trong Bảng 1.4 SCT BOD của các đoạn sông thay đổi từ 2193.6 kg/ngày (Đoạn 1) đến 31308.4 kg/ngày (Đoạn 6) Tổng SCT BOD của

7 đoạn sông là 95710.4 kg/ngày, khả năng làm sạch BOD của 7 đoạn sông là 39036.9 kg/ngày, chiếm 40.8% SCT của sông

Bảng 1.4 Sức chịu tải BOD phân bố cho các đoạn sông

Tên đoạn Từ điểm Đến điểm Độ dài

(km)

Sức chịu tải BOD (kg/ngày)

Khả năng làm sạch BOD (kg/ngày)

Đoạn 1 Chợ Mới

(trước hợp lưu S

Nginh Tường)

16 2193,6 805,6

Đoạn 2

(trước hợp lưu S Nginh Tường)

Thác Huống 37 7293,7 1940,3

Đoạn 3 Thác Huống trước S

Công 51 11406,0 4652,9 Đoạn 4 trước S Công trước S Cà

Lồ 29 14113,6 6194,2 Đoạn 5 trước S Cà

100.00 150.00

BOD-SCT

QCVN (đoạn 1-4)

QCVN (đoạn 5)

QCVN (đoạn 6-7)

Đoạn 6 trước hợp lưu

Sức chịu tải đối với COD

Hình 1.6 cho thấy nồng độ COD hiện trạng (đường đứt quãng) chưa đạt tới ngưỡng cho phép trong tất cả các đoạn, do đó có thể tăng thêm tải lượng COD đổ vào các đoạn sông Sau một vài phương án tăng tải lượng COD theo

tỷ lệ nhất định, kết quả nhận được đường phân bố nồng độ dọc theo sông tương ứng với sức chịu tải của sông (đường liền) Có thể thấy rằng, nồng độ COD ở cuối đoạn 5 đã đạt xấp xỉ tiêu chuẩn cho phép Kết quả này được sử dụng để xác định sức chịu tải của sông

Sức chịu tải và khả năng làm sạch COD của các đoạn sông thuộc sông Cầu được trình bày trong Bảng 1.5 Sức chịu tải và khả năng làm sạch COD của các đoạn sông thuộc sông Cầu được trình bày trong Bảng 1.5 SCT COD của các đoạn sông thay đổi từ 3453.9 kg/ngày (Đoạn 1) đến 65040.5 kg/ngày (Đoạn 6) Tổng SCT của 7 đoạn sông là 207869.2 kg/ngày, khả năng làm sạch của 7 đoạn sông là 62053.2 kg/ngày, chiếm 29.8% SCT của sông

Hình 1.6 Diễn biến nồng độ COD dọc theo sông Cầu

100.00 150.00

QCVN (đoạn 1-4)

QCVN (đoạn 5)

QCVN (đoạn 6-7)

Bảng 1.5 Sức chịu tải COD phân bố cho các đoạn sông

Tên

Độ dài (km)

Sức chịu tải COD (kg/ngày)

Khả năng làm sạch COD (kg/ngày)

(trước hợp lưu S Nginh Tường)

Đoạn 2

(trước hợp lưu

S Nginh Tường)

Đoạn 4 trước S Công trước S Cà Lồ 29 30361.1 10411.4

Đoạn 5 trước S Cà Lồ trước hợp lưu

Sức chịu tải đối với tổng Ni tơ (TN)

Sức chịu tải tổng Ni tơ (TN) được xác định dựa trên sức chịu tải các thành phần ô nhiễm chứa Ni tơ bao gồm Amoni, Nitrate, Nitrite và Ni tơ hữu

cơ Bảng 4 tổng hợp giá trị sức chịu tải TN cho từng đoạn sông Giá trị sức chịu tải cho các thành phần được xác định theo quy trình đã trình bày ở trên Cần lưu ý rằng sự tương tác giữa các thành phần Ni tơ trong quá trình vận chuyển xảy ra khá mạnh mẽ phụ thuộc vào điều kiện khí hậu và chế độ dòng chảy do đó thay đổi tải lượng xả thải của thành phần này có thể ảnh hưởng mạnh đến nồng độ của thành phần khác Vì vậy việc đánh giá sức chịu tải đối với tổng Ni tơ có thể là sự lựa chọn phù hợp Tuy nhiên, do QCVN (2015) chưa đưa vào tham số TN do đó, sức chịu tải TN được đánh giá qua diễn biến các nồng độ NH4 và NO3 Sức chụi tải TN đối với các đoạn sông thuộc sông Cầu được xác định trên cơ sở các đồ thị Hình 1.7,1.8

Hình 1.7 Diễn biến nồng độ NH4 dọc theo sông Cầu

Sức chịu tải và khả năng làm sạch TN của các đoạn sông thuộc sông Cầu được trình bày trong Bảng 1.6 Sức chịu tải và khả năng làm sạch TN của các đoạn sông thuộc sông Cầu được trình bày trong Bảng 1.6 SCT TN của các đoạn sông thay đổi từ 100.4 kg/ngày (Đoạn 1) đến 4269.7 kg/ngày (Đoạn 6) Tổng SCT của 7 đoạn sông là 11064.8 kg/ngày, khả năng làm sạch của 7 đoạn sông là 3009.5 kg/ngày, chiếm 27.2% SCT của sông

100.00 150.00

100.00 150.00

QCVN (đoạn 1-4)

QCVN (đoạn 5)

QCVN (đoạn 6-7)

Bảng 1.6 Sức chịu tải TN phân bố cho các đoạn sông

Tên

đoạn Từ điểm Đến điểm

Độ dài (km)

Sức chịu tải TN (kg/ngày)

Khả năng làm sạch

TN (kg/ngày)

(trước hợp lưu S Nginh Tường)

Đoạn 2

(trước hợp lưu S Nginh

Sức chịu tải đối với tổng Phốt pho (TP)

Sức chịu tải tổng Phốt pho (TP) được xác định dựa trên sức chịu tải các thành phần ô nhiễm chứa Phốt pho bao gồm Phốt pho hữu cơ và Phốt phát (PO4) Do QCVN (2015) chưa đưa vào tham số TP và Phốt pho hữu cơ vì vậy sức chịu tải TP được đánh giá qua diễn biến các nồng độ PO4 (Hình 1.9) Bảng 1.7 tổng hợp giá trị sức chịu tải và khả năng làm sạch TP cho từng đoạn sông Sức chịu tải và khả năng làm sạch TP của các đoạn sông thuộc sông Cầu được trình bày trong Bảng 1.7 SCT TP của các đoạn sông thay đổi từ 49.6 kg/ngày (Đoạn 1) đến 636.2 kg/ngày (Đoạn 4) Tổng SCT của 7 đoạn sông là 3055.8 kg/ngày, khả năng làm sạch của 7 đoạn sông là 1404.7 kg/ngày, chiếm 46% SCT của sông

Hình 1.9 Diễn biến nồng độ PO4 dọc theo sông Cầu

Bảng 1.7 Sức chịu tải TP phân bố cho các đoạn sông

Tên

đoạn Từ điểm Đến điểm

Độ dài (km)

Sức chịu tải TP (kg/ngày)

Khả năng làm sạch

TP (kg/ngày)

(trước hợp lưu S Nginh Tường)

Đoạn 2

(trước hợp lưu S Nginh

100.00 150.00

1.1.4 Đề xuất quy trình tính toán tải lượng ô nhiễm ngày tối đa

Sức chịu tải của đoạn sông được xác định là tải lượng tối đa các nguồn thải đổ vào đoạn sông trong một đơn vị thời gian (ví dụ ngày) sao cho các chỉ tiêu chất lượng nước không vượt quá mục đích sử dụng nước của đoạn sông theo QCVN với điều kiện các nguồn cấp nước cho đoạn sông đã được xác

định Do đó khái niệm tải lượng ô nhiễm ngày tối đa là đồng nghĩa với khái niệm sức chịu tải xác định theo đơn vị thời gian ngày

Trong trường hợp mặt cắt sông thượng du, chất lượng nước của nguồn cấp này đã được quy định theo QCVN hoặc là các giá trị trung bình nhiều năm

Đối với nguồn cấp phân tán (do chảy tràn, nước dưới đất …), chất lượng nước của nguồn này cần lấy giá trị trung bình nhiều năm

Sức chịu tải của đoạn sông liên quan chặt chẽ đến khả năng tự làm sạch của đoạn sông, do đó liên quan đến thành phần chất ô nhiễm trong nước thải

và sự tương tác giữa các thành phần với nhau Đây là vấn đề hết sức phức tạp,

vì vậy sức chịu tải của sông sẽ được xác định cho từng chất ô nhiễm riêng rẽ theo QCVN Nồng độ ô xy hòa tan (DO) là yếu tố quan trọng đối với khả tự làm sạch của hầu hết các ô nhiễm trong môi trường nước, do đó tiêu chuẩn về nồng độ ô xy luôn cần được xem xét trong mọi trường hợp Ví dụ khi tính toán sức chịu tải của đoạn sông đối với BOD thì cần xem xét sao cho nồng độ

DO và BOD đều nằm trong tiêu chuẩn cho phép, tương tự đối với các hợp chất khác

Sức chịu tải của đoạn sông, ngoài phụ thuộc vào (1) vị trí địa lý, địa hình, (2) điều kiện khí tượng thủy văn của đoạn sông còn phụ thuộc vào (3) nguồn nước cấp, (4) thành phần chất ô nhiễm trong nguồn thải và cuối cùng là (5) phân bố (vị trí) của nguồn thải dọc theo đoạn sông

Thông qua kết quả tính toán thử nghiệm cho các đoạn sông Cầu, quy trình tính toán sức chịu tải cho một đoạn sông được đề xuất bao gồm các bước sau:

1) Chọn đoạn sông nghiên cứu Có thể dựa trên phân vùng sử dụng nước,

gianh giới hành chính, các điều kiện thủy văn thủy lực phụ thuộc vào mục đích nghiên cứu hay mục đích quản lý lưu vực sông

2) Xác định nồng độ các chất ô nhiễm cho các nguồn cấp nước và các

nguồn thải cho đoạn sông

TN, TP

4) Xác định vị trí các nguồn thải chính trực tiếp đổ vào sông (bao gồm

nhánh 1, các cống thải, .), đây là vị trí các nguồn thải điểm Trong trường hợp nguồn phân tán đổ trực tiếp vào sông từ 2 bên bờ hoặc qua nhiều kênh rạch phân bố phức tạp có thể giả thiết nguồn phân tán phân

bố đều trong sông

5) Chọn mô hình thủy lực và mô hình chất lượng nước đã được thiết lập

và hiệu chỉnh cho toàn bộ lưu vực sông

6) Lựa chọn kịch bản thủy lực phù hợp Kịch bản thủy lực thường được

lựa chọn vào tháng có lưu lượng trung bình kiệt nhất (hoặc các giá trị thống kê ví dụ 7Q10, 7Q2 …cho các mục đích khác nhau)

7) Nồng độ các chất ô nhiễm khác trong nguồn thải khác chất ô nhiễm

được chọn được đưa về 0, hoặc một giá trị tối thiểu nào đó trong các tính toán tiếp theo

8) Dần dần tăng tải lượng chất ô nhiễm trong nguồn thải vào đoạn sông

(theo các kịch bản xả thải) để xác định sức chịu tải của đoạn sông Sức chịu tải được xác định khi nồng độ ô xy hòa tan xuống thấp hơn hoặc nồng độ chất ô nhiễm vượt quá QCVN

9) Sức chịu tải được xác định riêng biệt cho từng đoạn sông bao gồm tải

lượng vào từ thượng du và tải lượng xả thải dọc sông (nguồn điểm và nguồn phân tán)

1.1.5 Kết luận

Các kết quả chính của đề tài bao gồm:

(1) Nhận được lời giải giải tích cho phân bố nguồn tối ưu thải dọc theo đoạn sông ứng với sức chịu tải lớn nhất của đoạn sông;

(2) Đã thiết lập mô hình chất lượng nước cho sông Cầu và tính toán sức chịu tải BOD, COD, TN và TP cho các đoạn sông thuộc lưu lực sông Cầu Nói chung, SCT của đoạn sông không phụ thuộc tuyến tính vào

độ dài đoạn sông Khả năng làm sạch của các đoạn sông Cầu là tương đối lớn, tải lượng được làm sạch chiếm khoảng 27% đến 46% SCT của sông

(3) Đề xuất quy trình tính toán sức chịu tải cho đoạn sông nghiên cứu làm

cơ sở cho việc kiểm soát tổng tải lượng xả thải trong lưu vực sông;

1.2 BÁO CÁO CHI TIẾT

1.2.1 Tổng quan về sức chịu tải của nguồn nước sông

(a) Sức chịu tải và khả năng tự làm sạch của dòng chảy

* Khả năng phục hồi sinh thái

Theo UNESCO (2016), khả năng phục hồi sinh thái có tương đối nhiều định nghĩa, tuy nhiên có thể lựa chọn định nghĩa của các nhà sinh thái học trong trường hợp tự phục hồi của vùng đất ngập nước nói chung Hội đồng nghiên cứu Quốc gia Mỹ, trong báo cáo năm 1992 về Khả năng phục hồi của

hệ sinh thái đất ngập nước định nghĩa “khả năng tự phục hồi là khả năng của

một hệ sinh thái trở về trạng thái tương đối gần với trạng thái ban đầu trước khi xuất hiện nhân tố biến đổi” và “khả năng tự phục hồi có liên quan đến việc tái thiết lập các chức năng của hệ sinh thái trước khi biến đổi, cũng như các tính chất vật lý, hóa học và sinh học liên quan của nó”

Một trong những đặc điểm của quá trình tự phục hồi là kết quả vận động của cả một hệ thống sinh thái, chứ không thể là kết quả vận động của một nhân tố riêng lẻ bất kỳ nào Theo Tiểu ban đất ngập nước, trong Ủy ban Dữ liệu Địa lý Liên bang thì sự tự phục hồi có thể được định nghĩa như là “quá trình vận động của các tính chất vật lý, hóa học, sinh học của một khu vực (đất ngập nước) nhằm phục hồi trở lại các chức năng tự nhiên của lưu vực trước khi

có sự biến đổi, suy thoái”

Khi chịu một tác động ô nhiễm, mối quan hệ tác động - phản ứng - phục hồi của hệ sinh thái với tác động ô nhiễm đó được thiết lập, trong đó tác động

có thể được coi là một tác nhân, hoạt động mà làm thay đổi tính chất, chức năng của hệ sinh thái so với bình thường Phản ứng của một hệ sinh thái với một tác động ô nhiễm có thể được coi như quá trình biến đổi động hoặc tĩnh của hệ sinh thái như là kết quả của tác động

* Quá trình tự phục hồi của lưu vực sông

Những dấu hiệu khi lưu vực sông bắt đầu bị ô nhiễm xuất hiện với việc giảm nồng độ ôxy hòa tan (DO) trong nước, số lượng các thực vật thủy sinh bản địa suy giảm, các tính chất vật lý thông thường của nước biến đổi (biến đổi màu, độ đục tăng, có mùi vị lạ, bắt đầu xuất hiện các loại động thực vật ưa

ô nhiễm như cỏ dại, rêu v.v ) Ở mức độ cao hơn, xảy ra hiện tượng chết hoặc di cư hàng loạt các loài động vật bậc cao, hàm lượng vi sinh vật loài nấm

và vi khuẩn gia tăng, đặc biệt là vi khuẩn yếm khí, rêu tảo phát triển mạnh, độ đục, độ màu tăng đáng kể, cuối cùng, xảy ra các hiện tượng lên men, thối rữa, khi hàm lượng ôxy hòa tan tiến giảm tới xấp xỉ 0, nhiều loài sinh vật bản địa biến mất

Về mặt tự nhiên, môi trường nước có khả năng tự làm sạch thông qua một loạt các quá trình biến đổi lý - hóa - sinh học như lắng, lọc, tạo keo, hấp phụ, phân tán, biến đổi có hoặc không xúc tác hóa học, sinh học, ôxy hóa khử, phân ly, polyme hóa hay các quá trình trao đổi chất và sau một thời gian bị ô nhiễm, nước có thể trở về trạng thái ban đầu Cơ sở để quá trình này đạt hiệu quả cao phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng ôxy hòa tan Vì vậy, quá trình tự làm sạch trong môi trường nước động (sông, suối) dễ thực hiện hơn so với môi trường nước tĩnh (hồ, ao) do quá trình đối lưu và khuếch tán ôxy của khí quyển vào nước xảy ra dễ dàng hơn Ngoài ra, nó cũng phụ thuộc vào hàm lượng tảo, vi tảo và các thực vật thủy sinh khác, đóng vai trò quyết định trong việc cung cấp ôxy trong nước thông qua các phản ứng quang hợp Khi các chất ô nhiễm được đưa vào nước quá nhiều, vượt quá giới hạn của quá trình

tự làm sạch thì kết quả là nước sẽ bị ô nhiễm lâu dài

Như vậy, đối với lưu vực sông, có thể coi khả năng phục hồi chất lượng

là quá trình phục hồi các chức năng tự nhiên của hệ sinh thái đã bị mất hoặc biến đổi sau khi chịu tác động ô nhiễm, quá trình này là kết quả vận động của các tác nhân cấu thành hệ sinh thái, bao gồm các vận động hóa học, vật lý và sinh học Tuy nhiên, điều này chỉ đúng khi tác động ô nhiễm đã chấm dứt, còn trong trường hợp tác động ô nhiễm vẫn tiếp tục kéo dài hoặc gia tăng cường độ thì phải xem xét đến khả năng biến đổi của hệ sinh thái để thích nghi với điều kiện mới Trong trường hợp này, khả năng tự phục hồi của hệ sinh thái tại điểm chịu tác động không còn mà phải xét đến khả năng thiết lập

hệ sinh thái mới Như vậy, khả năng tự phục hồi của lưu vực sông còn phải liên quan đến cường độ, tần suất và thời gian của tác động ô nhiễm

Thông thường, quá trình tự phục hồi đòi hỏi ít nhất phải có một trong các quá trình sau:

- Tái xây dựng lại các điều kiện vật lý của lưu vực trước khi có biến đổi

- Điều chỉnh hóa học môi trường nước

- Vận động sinh học thông qua sự phục hồi, xuất hiện các loài sinh vật bản địa đã bị mất đi do biến đổi

Như vậy khả năng tự làm sạch của dòng sông có thể được hiểu như sau:

Quá trình tự làm sạch của dòng sông là tổ hợp các quá trình tự nhiên như các quá trình thủy động lực, hóa học, vi sinh vật học, thủy sinh học diễn

ra trong nguồn nước sông bị nhiễm bẩn nhằm phục hồi lại trạng thái gần với chất lượng nước ban đầu

(b) Các quá trình vật lý của cơ chế tự làm sạch trong nguồn nước

* Các quá trình vật lý

Quá trình khuếch tán và quy luật lan truyền của quá trình [DHI(2000, 2009), Chapra et al 2012]:

+ Quá trình khuếch tán các chất bẩn trong dòng chảy được mô tả như sau:

 Sau khi nước thải và nước nguồn xáo trộn hoàn toàn thì các phương

trình trên viết dưới dạng:

ri: Lượng chất sinh ra trong quá trình biến đổi thứ i;

I: Lượng chất được cung cấp từ nguồn nước thải

* Quá trình pha loãng và khuếch tán chất ô nhiễm

Khi một dòng sông ô nhiễm được một nhánh sông khác ít ô nhiễm hơn nhập lưu hoặc được pha loãng bằng nước mưa thì lưu lượng nước tăng lên vì thế hàm lượng chất ô nhiễm sẽ giảm xuống

+ Đặc trưng của quá trình là số lần pha loãng n:

CNT: Nồng độ chất bẩn trong nước thải;

CNG: Nồng độ chất bẩn trong nguồn trước khi pha loãng;

C: Nồng độ chất bẩn trong nguồn tại thời điểm tính toán

+ Nồng độ nước thải tại điểm tính toán:

QNT: Lượng nước thải vào;

QM: Tổng lượng nước mất đi trong quá trình xáo trộn (bay hơi, thấm…);

QNG: Tổng lượng nước nguồn;

W: Tổng dung tích nước;

t: Thời gian dòng chảy từ thời điểm ban đầu đến thời điểm t

Xáo trộn hoàn toàn, t = 0, Đối với sông cho QM  0

- Giai đoạn 1 (giai đoạn đầu):

Nhờ quỏ trỡnh khuếch tỏn cỏc tia nước thải từ miệng xả vào nguồn nước

và sự chờnh lệch tỷ trọng giữa nước thải và nước nguồn

Giai đoạn đầu phụ thuộc thành phần, tớnh chất, lưu lượng của nước thải

và vị trớ, cấu tạo miệng xả

- Giai đoạn 2 (Giai đoạn cuối):

Nhờ chế độ thủy động học dũng chảy và phụ thuộc lưu lượng nước nguồn, chiều sõu, rộng và độ khỳc khuỷu của sụng, hồ…

(c) Cỏc quỏ trỡnh chớnh liờn quan đến nồng độ ụxy hũa tan

- Quỏ trỡnh ụxy húa sinh húa chất hữu cơ, làm giảm BOD và COD

- Quỏ trỡnh quang hợp, tăng DO, giảm BOD

- Cỏc quỏ trỡnh húa học, húa lý: Hấp thụ, keo tụ, kiềm húa, lắng cặn, bay hơi… Cỏc quỏ trỡnh này sẽ làm giảm COD và SS trong nước

- Quỏ trỡnh trao đổi ụxy qua bề mặt nước sụng hồ => BOD giảm, DO tăng

- Quỏ trỡnh hụ hấp của vựng cặn đỏy  giảm DO, BOD, COD

Toàn bộ cỏc quỏ trỡnh này coi như nú diễn ra theo cỏc phản ứng bậc 1 như biểu diễn trong phương trỡnh:

dC/dt =  KC dC/dt = dC1/dt + dC2/dt +…+ dCn/dt =  (k1 + k2 + k3 +…+ kn)C

Ct = C0 exp{ (k1 + k2 + k3 + … + kn)t} (2.9) Trong đú:

C: Nồng độ chất ụ nhiễm;

C0: Nồng độ chất ụ nhiễm tại thời điểm ban đầu;

Ci: Nồng độ chất ụ nhiễm tại thời điểm i (i = 1, 2, 3 … n);

ki: Hệ số tốc độ chuyển húa chất ụ nhiễm theo cỏc quỏ trỡnh, (i = 1, 2, 3 … n)

* Quỏ trỡnh ụxy húa sinh húa chất hữu cơ

Quỏ trỡnh ụxy húa, sinh húa diễn ra như sau:

 vi khuẩn hô hấp  CHC O CO H O năng lượng (2.10) + Phương trỡnh vi phõn phản ứng bậc 1:

Để đơn giản có thể chia k1 ra 2 thành phần:

Trong đó:

k1 tĩnh: Phụ thuộc vào nhiệt độ, thành phần, tính chất nước…

k1động: Phụ thuộc vào chế độ dòng chảy…

k1 động = k1 tĩnh H- mVn (2.13) Với: m, n: Hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào từng loại nguồn,

m = f(H) = 0,1  1,5

n = f(V) = 0,5  2,5

* Quá trình hòa tan ôxy trong nước

Nồng độ ôxy hòa tan trong nước phụ thuộc vào các quá trình tiêu thụ và

bổ sung ôxy

+ Tiêu hao (mất ôxy):

- Ôxy hóa sinh hóa chất hữu cơ trong nước; Nhân tố chính là vi khuẩn;

- Hô hấp bùn đáy;

- Tiêu thụ ôxy trong quá trình nitrat và nitrat hóa;

- Động vật hô hấp;

- Thực vật hô hấp;

- Bay hơi (quá bão hòa);

- Ôxy hóa hóa học các chất bẩn khác trong nước

+ Bổ sung (thêm ôxy): Phụ thuộc: T0, pH và tính chất nước, chế độ thủy

động học, cường độ ánh sáng…

- Trao đổi bề mặt;

- Quang hợp phù du thực vật và thực vật bậc cao;

- Bổ cập ôxy từ thượng lưu (nguồn khác);

- Quá trình khử Ni tơ (denitrification)

+ Quá trình hòa tan ôxy được Streeter-Phelps đưa ra tính theo phương trình:

k2: Hằng số tốc độ hòa tan ôxy;

k1: Hằng số tiêu hao ôxy

L: nồng độ BOD của nước

D0, L0: Độ thiếu hụt ôxy và BOD ban đầu

Dgh = CS – Cbandau (mg/l) + k2 hệ số trao đổi ô xy được xác định theo các điều kiện dòng chảy khác nhau

Trong thực tế quá trình sản sinh và tiêu thụ ôxy còn phức tạp hơn rất nhiều (do quang hợp DO tăng…) Tuy nhiên mô hình này đơn giản, dễ áp dụng vì vậy mô hình này đang được áp dụng phổ biến

* Quá trình quang hợp, hấp phụ, hô hấp và lắng cặn

+ Quá trình lắng cặn

Đây là một quá trình vật lý làm sạch nước sông Trong cơ chế này cát ở tầng đáy đóng vai trò như một "cái bẫy" đối với chất ô nhiễm Khi nước chảy

từ vùng đồi núi và rãnh hẹp tới các vùng đồng bằng, vận tốc giảm và các chất

ô nhiễm lơ lửng lắng đọng trên tầng cát đáy

- Phụ thuộc: Chế độ thủy động học; Khả năng kết tụ trong quá trình vận chuyển; đặc tính nguồn

- Khi lắng xuống diễn ra quá trình phân hủy cặn đáy với 2 vùng:

Vùng trên, tiếp xúc với nước và ôxy thâm nhập nên có phân hủy hiếu khí

Vùng thiếu ôxy, diễn ra quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ, quá trình khử sunfát, nitrát, nitrít

(d) Phát triển của thực vật phù du (tảo chlorophyll-A)

Thực vật phù du được xét theo mật độ chlorophyll-a (μg/L) và được

chuyển thành sinh khối của tảo thông qua hệ số tỷ lệ α 0

A a

Trong đó:

Chl-a = mật độ chlorophyll-a [μg Chl-a/L],

A = nồng độ sinh khối của thực vật phù du [mg A/L],

α 0 = lượng chlorophyll-a có trong sinh khối thực vật phù du [μg Chl-a/mg A]

A ,

A = nồng độ sinh khối thực vật phù du [mg A/L]

(T) = hệ số tốc độ phát triển của tảo phụ thuộc vào nhiệt độ [d-1]

ρ(T) = hệ số tốc độ hô hấp phụ thuộc vào nhiệt độ [d-1]

k d,A (T) = hệ số tốc độ tử vong phụ thuộc vào nhiệt độ [d-1]

v A (T) = vận tốc chìm lắng của thực vật phù du phụ thuộc vào nhiêt độ

[m/d hoặc ft/d], H = độ sâu trung bình [m hoặc ft]

Giá trị của hệ số μ(T) được tính toán theo các điều kiện nhiệt độ, ánh

sáng, dinh dưỡng, độ che phủ trong cột nước Các chi tiết của phần tính toán này được mô tả trong đoạn trích sau

* Tốc độ phát triển riêng của thực vật phù du μ

Hệ số tốc độ phát triển của thực vật phù du μ(T) có quan hệ với ánh

sáng, các chất dinh dưỡng tồn tại trong cột nước Sự đa dạng của các biểu diễn toán học cho tốc độ phát triển của thực vật phù du được biểu diễn theo tích của hàm giới hạn ánh sáng và dinh duỡng Các tác động này được xét

theo các nhân tố làm giảm tốc độ phát triển cực đại μ max QUAL2K có khả năng giải quyết sự tuơng tác trong số các nhân tố giới hạn theo 3 phương án;

Phương án 1: Tăng gấp bội (Multiplicative)

Các biểu diễn động học thể hiện sự ảnh hưởng của Ni tơ, Phốt pho và ánh sáng là được gộp lại với nhau để xác định ảnh hưởng thực của chúng đến tốc

độ phát triển của thực vật nổi

 T max   FL FN FP

Trong đó:

μ max = hệ số tốc độ phát triển cực đại của thực vật phù du [d-1]

FL = hệ số làm giảm sự phát tiển của thực vật phù du do ánh sáng [phi thứ

Phương án 2: Giới hạn dinh dưỡng

Phương án này mô tả tốc độ phát triển cục bộ của thực vật phù du khi bị giới hạn bởi ánh sáng và Ni tơ hoặc Phốt pho Vì vậy, sự ảnh hưởng của ánh sáng-dinh dưỡng là gấp bội, nhưng ảnh hưởng dinh dưỡng-dinh dưỡng là luân phiên nhau Công thức sau được viết theo quy luật cực tiểu của Liebig, ở khía cạnh chỉ có một thành phần dinh dưỡng giới hạn tốc độ phát triển:

 T max  FL Min FN , FP

Do đó, tốc độ phát triển của thực vật phù du chịu sự chi phối của dinh dưỡng (Ni tơ hoặc Phốt pho) với nhân tố làm giảm sự phát triển là nhỏ hơn

Phương án 3: Trung bình điều hòa

Trong phương án này, nhân tố làm giảm ảnh hưởng do dinh dưỡng được tính toán theo trung bình điều hòa của các nhân tố giới hạn sự phát triển

* Nhân tố làm giảm ánh sáng cho thực vật phù du FL

+ Các hàm ánh sáng

QUAL2K cho phép 3 phương án tính toán nhân tố làm giảm sự phát

triển của thực vật phù du do ánh sáng, nhân tố FL trong các phương trình trên

Các ảnh hưởng làm giảm do ánh sáng đến tốc độ phát triển thực vật phù du có thể được mô phỏng bằng việc sử dụng phương pháp bán bão hòa (Monod), hàm Smith (Smith, 1936), hoặc phương trình Steele (Steele, 1962)

Phương án 1: Phương pháp bán bão hòa

Trong phương án này, hàm giới hạn sự phát triển của tảo do ánh sáng được xác định theo Monod;

z M L

z z

I K

I FL



,

Trong đó:

FL z = nhân tố làm giảm sự phát triển của thực vật phù du do ánh sáng [phi thứ nguyên]

I z = cường độ ánh sáng tại độ sâu z [Ly/min hoặc Btu/ft2-min],

K L,M = hệ số cường độ ánh sáng bán bão hòa của Monod tương ứng với cường độ ánh sáng mà tại đó tốc độ phát triển bằng 50% tốc độ phát triển cực đại [L/min hoặc Btu/ft2-min]

Phương án 2: Hàm Smith

Nhân tố giới hạn sự phát triển của tảo do ánh sang được thiết lập theo các tác động bậc hai của cường độ ánh sáng;

2 2

,Sm z L

z z

I K

I FL



với: K L,Sm = hệ số cường độ ánh sáng bão hòa theo Smith, tương ứng với cường độ ánh sáng tại đó tốc độ phát triển bằng 71% tốc độ phát triển cực đại của tảo [L/min hoặc Btu/ft2-min]

Phương án 3: Phương trình Steele

Phương án này kết hợp hàm dạng mũ để xét đến ảnh hưởng của sự giới hạn quang hợp đến tốc độ phát triển của thực vật nổi;

z St

L

z z

K

I K

I FL

, ,

1

Với: K L,St = hệ số cường độ ánh áng bão hòa theo Steele tại đó tốc độ phát triển của tảo là cực đại [Ly/min hoặc Btu/ft2-min]

+ Trung bình theo độ sâu của các nhân tố làm giảm ánh sáng:

Trong thực tế đối với các sáng, sự quang hợp xẩy ra đối với toàn cột nước Sự biến đổi của cường độ ánh sáng tuân theo quy luật của Beer:

I

I z  0 exp  (2.24) Trong đó:

I z = cường độ ánh sáng tại độ sâu z [Ly/min hoặc Btu/ft2-min],

I 0 = cường độ ánh sáng tại bề mặt [Ly/min hoặc Btu/ft2-min],

λ = hệ số suy giảm ánh sáng [m-1 hoặc ft-1]

+ Các phương án trung bình ánh sáng:

Sự mô phỏng cho tảo trong trạng thái dừng (cả thực vật phù du và sinh

vật bám dễ dưới nước) cần tính toán giá trị trung bình của FL, nhân tố làm

giảm sự phát triển do ánh sáng trong khoảng thời gian ngày đêm Có 4 phương án lựa chọn trong mô hình QUAL2E cho việc tính toán giá trị trung bình đó Các phương án này xuất phát từ sự kết hợp của các trường hợp sáng quan đến hai nhân tố:

(1) Nguồn ánh sáng trên bề mặt I 0 được sử dụng trong tính toán hay nó được cung cấp bởi người sử dụng hoặc được tính toán từ sự cân bằng nhiệt