Áp dụng mô hình QUAL2K đánh giá diễn biến chất lượng nước dòng chính sông Hương

TẠP CHÍ KHOA HỌC, ðại học Huế, Số 65, 2011<br /> ÁP DỤNG MÔ HÌNH QUAL2K<br /> ðÁNH GIÁ DIỄN BIẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC DÒNG CHÍNH SÔNG HƯƠNG<br /> Nguyễn Bắc Giang<br /> Trường ðại học Khoa học, ðại học Huế<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo giới thiệu mô hình một chiều (Qual2K) tính toán lan truyền chất trong sông và<br /> ứng dụng ñể nghiên cứu mô phỏng diễn biến chất lượng nước (CLN) cho Sông Hương. Bài báo<br /> cũng trình bày các bước cơ bản ứng dụng mô hình cho một ñối tượng cụ thể. Ngoài ra, ñã tiến<br /> hành kiểm ñịnh mô hình với giá trị sai số nhỏ hơn 30%. Từ kết quả này ñã tiến hành dự báo sự<br /> thay ñổi chất lượng nước theo thời gian vào năm 2010 và 2020.<br /> Từ khóa: Qual2K, sông Hương.<br /> <br /> 1. Mở ñầu<br /> Gần ñây việc ứng dụng mô hình ñể mô phỏng chất lượng nước (CLN) ñã trở nên<br /> phổ biến ở nhiều quốc gia trên thế giới. Các mô hình CLN ñược xem là một trong<br /> những công cụ hỗ trợ ñắc lực cho công tác quản lý CLN, giúp ñánh giá và dự báo về sự<br /> biến ñổi CLN trong tương lai.<br /> Trong số các mô hình CLN ñang ñược áp dụng, Qual2K là mô hình CLN sông<br /> tổng hợp, ñơn giản và miễn phí ñược áp dụng phổ biến nhiều nơi trên thế giới. Mô hình<br /> Qual2K ñã ñược áp dụng trong mô phỏng DO của sông Blackstone (Mỹ); ñánh giá CLN<br /> chảy qua ñập Gavins Point trên sông Missouri (Mỹ); tính toán tác ñộng của nước thải<br /> công nghiệp và ñô thị ñến DO sông Sava (Slovenia); ñánh giá CLN sông Sungai<br /> Selangor (Malaysia)[6].<br /> Hiện nay, các số liệu quan trắc CLN sông Hương khá ñồng bộ và ñầy ñủ, tuy<br /> nhiên việc tổng hợp các số liệu này và sử dụng các mô hình ñể mô phỏng và dự báo xu<br /> thế biến ñổi CLN phục vụ cho mục ñích quản lý CLN sông Hương vẫn chưa ñược quan<br /> tâm nhiều. Vì vậy, nghiên cứu áp dụng mô hình Qual2K cho sông Hương sẽ góp phần<br /> bổ sung tính ña dạng các công cụ phục vụ công tác quản lý CLN của ñịa phương.<br /> 2. Tổng quan về mô hình Qual2K<br /> 2.1. Giới thiệu mô hình Qual2K<br /> Mô hình Qual2K (Q2K) do Brown và Barnwell xây dựng vào năm 1987 dựa<br /> trên mô hình gốc là QUAL2E (Q2E). Phiên bản mới nhất của Qual2K (tháng 3/2006) là<br /> phần mềm Q2K Fortran 2.04 ñược phát triển bởi Steve Chapra và Greg Pelletier ở ðại<br /> 37<br /> <br /> học Tuft và Trung tâm Mô hình CLN của Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ. Mô hình này<br /> chạy trên nền MS Excel với giao diện ñơn giản, dễ sử dụng, tốc ñộ tính toán khá nhanh.<br /> Qual2K mô phỏng ñược 15 thông số bao gồm: ñộ dẫn ñiện, chất rắn vô cơ lơ lửng, oxy<br /> hòa tan (DO), CBOD phân hủy chậm, CBOD phân hủy nhanh (BOD5), nitơ hữu cơ, nitơ<br /> amoni (NH4-N), nitơ nitrat (NO3-N), phospho hữu cơ, phospho vô cơ,...<br /> 2.2. Cơ sở lý thuyết của mô hình Qual2K<br /> Với mỗi thành phần liên quan tới CLN, phương trình lan truyền chất có dạng<br /> như sau:<br /> ∂M<br /> =<br /> ∂t<br /> <br /> ∂C<br /> )<br /> ∂x dx − ∂ ( Ax × U × C ) .dx + ( A × dx). dC + S<br /> x<br /> ∂x<br /> ∂x<br /> dt<br /> <br /> ∂ ( Ax × D1<br /> <br /> (I)<br /> <br /> (II)<br /> <br /> (III)<br /> <br /> (IV)<br /> <br /> Trong ñó, M: khối lượng chất<br /> <br /> (1.1)<br /> <br /> (V)<br /> t: thời gian<br /> <br /> x: khoảng cách<br /> <br /> C: nồng ñộ chất<br /> <br /> Ax: diện tích mặt cắt ngang<br /> <br /> D1: hệ số phân tán<br /> <br /> U: vận tốc trung bình dòng chảy<br /> (I): thay ñổi khối lượng theo thời gian<br /> (III): sự chuyển tải<br /> <br /> (II): sự khuếch tán<br /> <br /> (IV): thành phần (nồng ñộ) thay ñổi theo thời gian<br /> <br /> (V): các nguồn từ bên ngoài và sự lắng ñọng các chất<br /> Thượng nguồn<br /> <br /> Nguồn<br /> nước 1<br /> Nguồn<br /> nước 2<br /> <br /> 1<br /> 6<br /> <br /> Nguồn thải ñiểm<br /> <br /> 1<br /> <br /> 2<br /> 7<br /> 3<br /> <br /> 8<br /> 12<br /> 13<br /> <br /> 11<br /> <br /> Nguồn<br /> nước 3<br /> <br /> 15<br /> <br /> 9<br /> <br /> 3<br /> <br /> Nguồn thải<br /> phân tán<br /> <br /> 16<br /> 17<br /> 18<br /> 19<br /> <br /> Nguồn<br /> nước 4<br /> <br /> Dòng ra<br /> <br /> 5<br /> <br /> 14<br /> <br /> 10<br /> <br /> 2<br /> <br /> 4<br /> <br /> 22<br /> <br /> Dòng<br /> chính<br /> <br /> 20<br /> <br /> Các ñoạn<br /> <br /> 23<br /> 21<br /> <br /> 24<br /> 25<br /> <br /> 4<br /> <br /> 26<br /> <br /> 5<br /> <br /> 27<br /> 28<br /> <br /> Hạ nguồn<br /> <br /> 29<br /> <br /> Hình 1. Phân ñoạn hệ thống sông có nhánh và không có nhánh của Qual2K<br /> <br /> Bước ñầu tiên của chương trình tính Qual2K là chia hệ thống sông thành các<br /> 38<br /> <br /> ñoạn sông. Mỗi ñoạn sông lại ñược chia thành 7 phần tử tính toán như: phần tử thượng<br /> nguồn; phần tử chuẩn; phần tử cận nối tiếp; phần tử nối tiếp; phần tử cuối cùng; phần tử<br /> nước ñi vào; phần tử nước ñi ra,… Trong mỗi ñoạn sông sẽ chứa ñựng các dữ liệu liên<br /> quan ñến mô hình như: thủy lực, hằng số tốc ñộ phản ứng,…<br /> Các công thức, phương trình, mô hình cơ bản ñược sử dụng ñể tính toán trong<br /> mô hình Qual2K như: phương trình cân bằng lưu lượng; phương trình Manning; thời<br /> gian di chuyển; mô hình nhiệt ñộ; mô hình thành phần (Thực vật phù du; CBOD dễ<br /> phân hủy – BOD5; Các hợp chất nitơ; Các hợp chất photpho; ôxy hòa tan).<br /> Sau khi nhập các số liệu ở các Worksheet, bao gồm dữ liệu ñầu vào (CLN, lưu<br /> lượng nước, hệ số nhám, nhiệt ñộ, các nguồn thải, thủy lực,...), Qual2K sẽ tính toán trên<br /> nền của MS Excel và cho kết quả tính toán, mô phỏng ở các Worksheet dưới dạng biểu<br /> ñồ hoặc dữ liệu.<br /> 2.3. Phạm vi ứng dụng của mô hình Qual2K<br /> Qual2K là mô hình một chiều với ñiều kiện dòng chảy ñều và tải lượng nguồn<br /> thải ñều. Kết quả tính toán các thông số CLN trong mô hình ñược thể hiện dưới dạng ñồ<br /> thị theo dọc chiều dài dòng chảy.<br /> Mô hình Qual2K có một số hạn chế như chỉ mô phỏng một chiều và chỉ áp dụng<br /> ñược cho sông không quá rộng, không tính toán ñược ảnh hưởng của thủy triều [7].<br /> 3. ðối tượng và phương pháp nghiên cứu<br /> 3.1. ðối tượng nghiên cứu<br /> Mô phỏng và dự báo diễn biến<br /> CLN ñược nghiên cứu với ñối tượng là<br /> dòng chính sông Hương. ðây là nguồn<br /> cung cấp nước mặt quan trọng cho mọi<br /> hoạt ñộng của thành phố Huế, ñồng thời<br /> cũng là nơi tiếp nhận hầu hết các chất thải<br /> chưa qua xử lý của ñô thị Huế. Hình 2<br /> giới thiệu ñoạn sông nghiên cứu, từ ngã<br /> ba Tuần về ñến ngã ba Sình, có chiều<br /> dài 28 km.<br /> Tuy<br /> phỏng chưa<br /> chất hữu cơ<br /> chứa lớn và<br /> Hương.<br /> <br /> (17)<br /> (16)<br /> <br /> (15)<br /> <br /> (14)<br /> (13)<br /> <br /> (12)<br /> (9)<br /> <br /> (10)<br /> <br /> (8)<br /> <br /> (11)<br /> <br /> (7)<br /> <br /> (4)<br /> (6) (5)<br /> <br /> nhiên, các kết quả mô<br /> tính ñến sự ñóng góp các<br /> và dinh dưỡng của các hồ<br /> nhỏ ở thượng nguồn sông<br /> <br /> (2)<br /> (3)<br /> <br /> (1)<br /> <br /> Hình 2. ðoạn sông Hương nghiên cứu<br /> 39<br /> <br /> 3.2. Phương pháp nghiên cứu<br /> 3.2.1. Phân ñoạn dòng chảy<br /> Dựa vào các ñiều kiện về ñịa hình, chế ñộ dòng chảy và các nguồn xả thải vào<br /> sông Hương mà ñoạn sông nghiên cứu ñược phân chia thành 17 phân ñoạn tương ứng<br /> (xem hình 2 và bảng 1).<br /> Bảng 1. Phân ñoạn dòng chảy theo mô hình Qual2K<br /> <br /> Vị trí<br /> <br /> Khoảng cách (km)<br /> <br /> Số phân ñoạn<br /> <br /> Ký hiệu ñiểm<br /> quan trắc(*)<br /> <br /> 0<br /> <br /> (1)<br /> <br /> MC<br /> <br /> 1,64<br /> <br /> (2)<br /> <br /> 2,59<br /> <br /> (3)<br /> <br /> 3,55<br /> <br /> (4)<br /> <br /> 5,24<br /> <br /> (5)<br /> <br /> 6,53<br /> <br /> (6)<br /> <br /> 8,02<br /> <br /> (7)<br /> <br /> 9,18<br /> <br /> (8)<br /> <br /> 10,70<br /> <br /> (9)<br /> <br /> 12,13<br /> <br /> (10)<br /> <br /> 15,10<br /> <br /> (11)<br /> <br /> 17,00<br /> <br /> (12)<br /> <br /> 20,26<br /> <br /> (13)<br /> <br /> 22,12<br /> <br /> (14)<br /> <br /> 24,76<br /> <br /> (15)<br /> <br /> 26,29<br /> <br /> (16)<br /> <br /> 28,58<br /> <br /> (17)<br /> <br /> Ngã Ba Tuần<br /> <br /> MD<br /> <br /> Xước Dũ<br /> <br /> ME<br /> <br /> ðông Ba<br /> MG<br /> <br /> ðập La Ỷ<br /> <br /> Ngã Ba Sình<br /> <br /> MI<br /> <br /> Ghi chú :(*) các ñiểm quan trắc CLN sông Hương thực tế.<br /> <br /> 3.2.2. Kiểm ñịnh và hiệu chỉnh mô hình<br /> Các nhóm số liệu ñầu vào dùng ñể hiệu chỉnh, kiểm nghiệm mô hình bao gồm:<br /> - Lưu lượng dòng chảy: sử dụng lưu lượng nước tự nhiên của sông Hương (chưa<br /> có sự ñiều tiết của 2 hồ chứa).<br /> 40<br /> <br /> - Các thông số thủy lực: vận tốc dòng chảy, diện tích mặt cắt ngang, ñộ dốc, ñộ<br /> sâu dòng chảy,...<br /> - Các hệ số tốc ñộ thông khí, hằng số tốc ñộ phân hủy các chất hữu cơ; tốc ñộ<br /> chuyển hóa nitơ và photpho,...<br /> - Các thông số CLN các tháng mùa khô (tháng 5), mùa mưa (tháng 11) của năm<br /> 2003 và năm 2007.<br /> - Các thông số về nguồn thải: nồng ñộ, tải lượng và tính toán lưu lượng của các<br /> nguồn thải sinh hoạt, ñô thị và công nghiệp,...<br /> 3.2.3.Mô phỏng chất lượng nước vào các năm 2010 và 2020<br /> Các trường hợp mô phỏng:<br /> - Năm 2010: chỉ có hồ Bình ðiền tham gia ñiều tiết dòng chảy.<br /> - Năm 2020: cả hai hồ chứa Bình ðiền và hồ Tả Trạch cùng ñiều tiết dòng chảy.<br /> Các số liệu ñầu vào:<br /> - Số liệu thủy văn: ñến năm 2010 có tính ñến sự ñiều tiết cùa hồ Bình ðiền và<br /> năm 2020 có sự ñiều tiết của hồ Tả Trạch.<br /> - Số liệu CLN: sử dụng kết quả quan trắc CLN từ năm 2003 ∼ 2007 [5, 6].<br /> - Số liệu các nguồn thải: sử dụng các số liệu thống kê các nguồn thải ñiểm và<br /> không ñiểm ñồng thời có tính ñến lượng nước thải phát sinh vào các thời ñiểm tương<br /> ứng trong tương lai [2, 3, 4].<br /> - Sử dụng lại các hệ số thủy lực, các hằng số tốc ñộ phân hủy, hằng số tốc ñộ<br /> thông số, các hệ số chuyển hóa,… như ở phần kiểm ñịnh mô hình [8].<br /> 3.2.4. Các phương pháp khác<br /> Các số liệu về CLN, thủy văn,…ñược xử lý bằng phương pháp thống kê. Việc<br /> ước tính tải lượng các nguồn thải ñược thực hiện thông qua phương pháp ñánh giá<br /> nhanh nguồn thải [1]. Sử dụng phương pháp chuyên gia ñể lấy ý kiến về các vấn ñề liên<br /> quan ñến ñánh giá CLN, mô hình CLN,...<br /> 4. Kết quả nghiên cứu<br /> 4.1. Kết quả kiểm ñịnh và hiệu chỉnh mô hình<br /> Kết quả chạy mô hình các thông số CLN cho các tháng mùa khô và mùa mưa<br /> năm 2003 và năm 2007 ñược trình bày lần lượt ở các hình 3, 4, 5 và 6.<br /> <br /> 41<br /> <br />