Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phát triển mô hình toán mô phỏng quá trình phú dưỡng ở các vùng nước tĩnh nông, ứng dụng cho hồ cự chính Hà Nội

Chia sẻ: Tri Nhân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:239

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu chính của luận án là nghiên cứu phát triển công cụ mô hình toán mô phỏng quá trình phú dưỡng ở các vùng nước tĩnh nông; ứng dụng mô hình phú dưỡng phát triển vào một hồ tự nhiên nông đang bị ảnh hưởng bởi phú dưỡng ở nội thành Hà Nội. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phát triển mô hình toán mô phỏng quá trình phú dưỡng ở các vùng nước tĩnh nông, ứng dụng cho hồ cự chính Hà Nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TẠ ĐĂNG THUẦN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH PHÚ DƯỠNG Ở CÁC VÙNG NƯỚC TĨNH NÔNG, ỨNG DỤNG CHO HỒ CỰ CHÍNH-HÀ NỘI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TẠ ĐĂNG THUẦN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH PHÚ DƯỠNG Ở CÁC VÙNG NƯỚC TĨNH NÔNG, ỨNG DỤNG CHO HỒ CỰ CHÍNH-HÀ NỘI Chuyên ngành: Môi trường Đất và Nước Mã số: 9.44.03.03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS BÙI QUỐC LẬP HÀ NỘI, NĂM 2019
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Tạ Đăng Thuần i
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, NCS xin gửi lời cảm ơn tới Trường Đại học Thủy Lợi đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho NCS trong thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Với lòng biết ơn sâu sắc, NCS xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Bùi Quốc Lập, người đã dành thời gian, tâm sức tận tình hướng dẫn NCS trong suốt quá trình thực hiện bản luận án này. NCS xin cảm ơn các Thầy Cô ở Khoa Môi trường đặc biệt là các Thầy Cô trong bộ môn Quản lý môi trường, Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học - Trường Đại học Thủy Lợi, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hóa học các hợp chất hữu cơ thiên nhiên - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và nhiều chuyên gia đã giúp đỡ NCS trong quá trình thực hiện và hoàn thiện luận án. NCS xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu - Trường Đại học Sư Phạm kỹ thuật Hưng Yên, Lãnh đạo Khoa Công nghệ hóa học và Môi trường, cũng như bạn bè đồng nghiệp đã ủng hộ và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp NCS hoàn thành luận án. Một số thí nghiệm cũng như kinh phí hoàn thiện luận án được hỗ trợ từ nguồn học bổng chính phủ theo đề án 911. Cuối cùng, NCS xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, ủng hộ NCS trong suốt quá trình làm luận án. ii
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.................................................................................... vi DANH MỤC BẢNG ................................................................................................... viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ......................... ix MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài.......................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................3 3.1 Đối tượng nghiên cứu ...................................................................................3 3.2 Phạm vi nghiên cứu .......................................................................................3 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu..........................................................3 4.1 Cách tiếp cận .................................................................................................3 4.2 Phương pháp nghiên cứu...............................................................................4 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án..........................................................4 5.1 Ý nghĩa khoa học ..........................................................................................4 5.2 Ý nghĩa thực tiễn ...........................................................................................4 6. Những đóng góp mới của luận án .......................................................................4 7. Cấu trúc của luận án ............................................................................................5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU................................................6 1.1 Tổng quan về phú dưỡng ...................................................................................6 1.1.1 Khái niệm, cơ chế hình thành phú dưỡng ..................................................6 1.1.2 Nguyên nhân gây phú dưỡng......................................................................7 1.1.3 Phương pháp đánh giá phú dưỡng hồ .........................................................9 1.2 Tình hình nghiên cứu, phát triển mô hình phú dưỡng hồ ................................11 1.2.1 Tình hình nghiên cứu, phát triển mô hình phú dưỡng hồ trên thế giới ....11 1.2.2 Tình hình nghiên cứu, phát triển mô hình phú dưỡng hồ ở Việt Nam .....20 1.2.3 Những vấn đề cần giải quyết ....................................................................23 1.3 Tổng quan phạm vi nghiên cứu .......................................................................25 1.3.1 Tổng quan hồ Hà Nội ...............................................................................25 1.3.2 Hiện tượng phú dưỡng hồ Hà Nội ............................................................26 1.3.2 Tổng quan khu vực nghiên cứu hồ Cự Chính ..........................................30 1.4 Kết luận chương 1 ...........................................................................................33 iii
CHƯƠNG 2 PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH PHÚ DƯỠNG TRONG HỒ TĨNH NÔNG ............................................................................35 2.1 Các bước phát triển mô hình toán mô phỏng phú dưỡng hồ ...........................35 2.2 Cơ sở lý thuyết phát triển mô hình phú dưỡng ................................................37 2.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến phú dưỡng ......................................................37 2.2.2 Các giả thiết trong phát triển mô hình phú dưỡng hồ...............................44 2.2.3 Các quá trình mô phỏng trong phát triển mô hình phú dưỡng .................44 2.2.4 Phương trình mô phỏng quá trình phú dưỡng trong hồ ............................45 2.2.5 Phương trình mô phỏng phú dưỡng hồ cải tiến ........................................53 2.3 Phương pháp giải phương trình .......................................................................57 2.3.1 Phương pháp Runge-Kutta giải PTVPT ...................................................57 2.3.2 Phương pháp đánh giá mô hình ................................................................59 2.3.3 Phần mềm Matlab .....................................................................................64 2.4 Lấy mẫu, đo đạc thực nghiệm .........................................................................67 2.4.1 Đo đạc, tính toán dữ liệu biến ngoại sinh .................................................67 2.4.2 Đo đạc, phân tích chất lượng nước ...........................................................69 2.5 Ứng dụng mô hình phú dưỡng phát triển ở hồ Cự Chính-Hà Nội ..................73 2.5.1 Sơ đồ khối của chương trình lập trình mô hình ........................................73 2.5.2 Thiết lập mô hình......................................................................................74 2.5.3 Số liệu hiệu chỉnh mô hình .......................................................................75 2.5.4 Số liệu kiểm định mô hình .......................................................................79 2.5.5 Các kịch bản mô phỏng của mô hình .......................................................82 2.6 Kết luận chương 2 ...........................................................................................84 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .....................................85 3.1 Kết quả phân tích chất lượng nước và đánh giá phú dưỡng ............................85 3.1.1 Giá trị thông số chất lượng nước và mối liên hệ giữa chúng ...................85 3.1.2 Đánh giá mức độ phú dưỡng ....................................................................94 3.1.3 Quần xã thực vật nổi.................................................................................97 3.2 Kết quả phát triển mô hình mô phỏng quá trình phú dưỡng .........................103 3.2.1 Giá trị, khoảng giá trị các tham số của mô hình .....................................103 3.2.2 Phân tích độ nhạy ...................................................................................109 3.2.3 Hiệu chỉnh mô hình ................................................................................112 3.2.4 Kết quả kiểm định mô hình ....................................................................132 3.2.5 Kết quả mô phỏng sự phát triển tảo sử dụng các hàm giới hạn .............138 3.2.6 Nhận xét mô hình phát triển ...................................................................144 iv
3.3 Kết quả tính toán mô hình theo các kịch bản mô phỏng ...............................145 3.4 Kết luận chương 3 .........................................................................................149 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................151 1. Kết quả đạt được của luận án ..........................................................................151 2. Những đóng góp mới của luận án ...................................................................151 3. Những hạn chế và định hướng nghiên cứu tiếp theo .......................................152 4. Kiến nghị .........................................................................................................152 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ ...........................................................153 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................154 PHỤ LỤC ....................................................................................................................166 v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mô hình cân bằng phốt pho: (a) mô tả quá trình lắng là tổn thất một chiều tới trầm tích và (b) bao gồm quá trình trao đổi của trầm tích với cột nước ............................. 13 Hình 1.2 Phân chia động học trong mô hình dinh dưỡng, chuỗi thức ăn ........................... 16 Hình 1.3 Bản đồ khu vực nghiên cứu .................................................................................. 31 Hình 2.1 Các bước phát triển mô hình toán mô phỏng quá trình phú dưỡng..................... 35 Hình 2.2 Sơ đồ mô hình mô phỏng phú dưỡng trong hồ tĩnh nông ................................... 46 Hình 2.3 Sơ đồ thuật giải di truyền ...................................................................................... 61 Hình 2.4 Giao diện công cụ GA trong Matlab .................................................................... 66 Hình 2.5 Sơ đồ khối của chương trình................................................................................. 73 Hình 2.6 Tổng quan dữ liệu đầu vào, đầu ra của mô hình phú dưỡng hồ .......................... 74 Hình 2.7 Nhiệt độ nước trung bình ngày thời đoạn hiệu chỉnh mô hình ............................ 76 Hình 2.8 Cường độ bức xạ mặt trời trung bình ngày thời đoạn hiệu chỉnh mô hình ......... 76 Hình 2.9 Lượng mưa ngày trong thời đoạn hiệu chỉnh mô hình ........................................ 77 Hình 2.10 Nồng độ chất dinh dưỡng trong nước mưa thời đoạn hiệu chỉnh mô hình ....... 78 Hình 2.11 Nhiệt độ nước trung bình ngày thời đoạn kiểm định mô hình .......................... 80 Hình 2.12 Cường độ bức xạ mặt trời trung bình ngày kiểm định mô hình ........................ 80 Hình 2.13 Lượng mưa ngày trong thời đoạn kiểm định mô hình ....................................... 81 Hình 2.14 Nồng độ chất dinh dưỡng trong nước mưa thời đoạn kiểm định mô hình........ 81 Hình 3.1 Biểu đồ các chỉ tiêu hóa lý ở hồ Cự Chính (a. Nhiệt độ, b.pH, c.DO, d. Độ dẫn điện (EC), e. BOD5) ................................................................................................87 Hình 3.2 Sự biến đổi giá trị các thông số chất dinh dưỡng ở hồ Cự Chính a. NH4-N, b.NO2-N, c. NO3-N, d. TN, e. PO4-P, f. TP, g. DOC, h. TOC, i.Chl.a .........................91 Hình 3.3 Giá trị TN/TP theo thời gian quan trắc (TN/TP6: Phốt pho là chất dinh dưỡng giới hạn) ...................................................................................95 Hình 3.4 Biểu đồ tỷ lệ TN/TP theo mùa ở hồ Cự Chính ...............................................95 Hình 3.5 Trạng thái phú dưỡng hồ theo chỉ số dinh dưỡng Carlson TSI (70: siêu phú dưỡng .................96 Hình 3.6 Tỷ lệ phần trăm của các nhóm thực vật nổi ở hồ Cự Chính ...........................98 Hình 3.7 Biến động mật độ tế bào thực vật nổi tại hồ Cự Chính ..................................99 vi
Hình 3.8 Biến động mật độ tế bào vi khuẩn lam tại hồ Cự Chính.................................... 100 Hình 3.9 Biến động mật độ tế bào tảo lục tại hồ Cự Chính .............................................. 100 Hình 3.10 Biểu đồ thể hiện mối liên hệ giữa nồng độ DIN+DIP, DO với mật độ tế bào 101 Hình 3.11 Biểu đồ thể hiện mối liên hệ giữa nhiệt độ nước và mật độ tế bào thực vật nổi ............................................................................................................................................. 102 Hình 3.12 Biểu đồ thể hiện mối liên hệ giữa cường độ bức xạ mặt trời và mật độ tế bào thực vật nổi.................................................................................................................................. 102 Hình 3.13 Quá trình tối ưu tham số của mô hình phú dưỡng hồ ...................................... 113 Hình 3.14 Kết quả biểu thị tối ưu giá trị 15 tham số bằng GA ......................................... 115 Hình 3.15 Phân bố tần suất xuất hiện của 15 tham số được tối ưu bởi GA ..................... 117 Hình 3.16 Các giá trị hàm mục tiêu nhỏ nhất khi tối ưu bằng GA ................................... 119 Hình 3.17 Kết quả biểu thị tối ưu giá trị 53 tham số trước khi điều chỉnh bằng GA ....... 120 Hình 3.18 Kết quả biểu thị tối ưu giá trị 53 tham số sau khi điều chỉnh bằng GA .......... 121 Hình 3.19 Kết quả so sánh giá trị mô phỏng và thực đo của các biến trạng thái mô hình (a,b,c nồng độ sinh khối tảo lục, vi khuẩn lam và tảo silic; d.PO4-P, e.TP, f.NH4-N, g.NO2-N, h.NO3-N, i.TN, j.DOC, k.TOC, l.DO, m.Nồng độ sinh khối ĐVPD) ............. 126 Hình 3.20 Kết quả so sánh giá trị mô phỏng và thực đo của các biến trạng thái của mô hình (a,b,c nồng độ sinh khối tảo lục, vi khuẩn lam và tảo silic; d.PO4-P, e.TP, f.NH4-N, g.NO2-N, h.NO3-N, i.TN, j.DOC, k.TOC, l.DO, m. nồng độ sinh khối ĐVPD) ............. 137 Hình 3.21 Hàm giới hạn của chất dinh dưỡng đối với sự phát triển của các nhóm thực vật nổi (a.Tảo lục, b.Vi khuẩn lam, c.Tảo silic, d.Giá trị tổng hợp) ....................................... 140 Hình 3.22 Sự thay đổi theo mùa các biến thành phần, toàn phần của DIP ...................... 141 Hình 3.23 Hàm giới hạn cường độ bức xạ mặt trời với sự phát triển của thực vật nổi.... 142 Hình 3.24 Hàm giới hạn của nhiệt độ nước đối với sự phát triển của các nhóm thực vật nổi ....................................................................................................................................... 142 Hình 3.25 Tích 3 hàm giới hạn với sự phát triển của các nhóm thực vật nổi................... 144 Hình 3.26 Kết quả so sánh giữa giá trị ban đầu với kịch bản mô phỏng của nồng độ sinh khối thực vật nổi ................................................................................................................. 146 Hình 3.27 Kết quả so sánh giữa giá trị ban đầu với kịch bản mô phỏng của nồng độ oxy hòa tan trong hồ .................................................................................................................. 147 Hình 3.28 Kết quả so sánh giữa giá trị ban đầu với kịch bản mô phỏng của nồng độ DIP trong hồ ............................................................................................................................... 147 vii
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Phân loại mức độ dinh dưỡng hồ theo phương pháp Hakanson [21] ................... 9 Bảng 1.2 Tổng quan về mô hình phú dưỡng hồ [24] .......................................................... 11 Bảng 1.3 Một số hồ nội đô Hà Nội không có nguồn thải tập trung đổ trực tiếp [68] ........ 28 Bảng 1.4 Nhiệt độ trung bình tháng tại trạm Láng từ năm 2002-2018 (oC) [76]............... 32 Bảng 1.5 Số giờ nắng trung bình tháng tại trạm Láng từ năm 2002-2018 (giờ) [76] ........ 32 Bảng 1.6 Độ ẩm tương đối trung bình tháng tại trạm Láng từ năm 2002-2018 (%) [76].. 33 Bảng 1.7 Lượng mưa trung bình tháng tại trạm Láng từ năm 2002-2018 (mm) [76] ....... 33 Bảng 2.1 Tỷ lệ TN/TP cho điều kiện hạn chế khác nhau ở vùng nước ngọt [12].............. 40 Bảng 2.2 Các tham số của mô hình ..................................................................................... 55 Bảng 2.3 Tiêu chí đánh giá chất lượng cho các chỉ số sai số [122] .................................... 63 Bảng 2.4 Giá trị ban đầu của các biến trạng thái khi hiệu chỉnh mô hình .......................... 75 Bảng 2.5 Giá trị nồng độ chất dinh dưỡng có trong nước mưa chảy tràn .......................... 79 Bảng 2.6 Giá trị ban đầu của các biến trạng thái khi kiểm định mô hình .......................... 79 Bảng 3.1 Thống kê mô tả các thông số chất lượng nước ở hồ Cự Chính .......................... 92 Bảng 3.2 Hệ số tương quan Spearman(r) giữa các thông số chất lượng nước ................... 92 Bảng 3.3 Phân loại dinh dưỡng của hồ Cự Chính theo phương pháp Hakanson............... 97 Bảng 3.4 Nhóm thực vật nổi và các chi điển hình .............................................................. 98 Bảng 3.5 Giá trị tham số là hằng số của mô hình phú dưỡng hồ ...................................... 106 Bảng 3.6 Khoảng giá trị hiệu chỉnh các tham số của mô hình ......................................... 107 Bảng 3.7 Năm tham số nhạy nhất ứng với từng biến trạng thái của mô hình .................. 110 Bảng 3.8 Khoảng giá trị của 15 tham số có mức độ ảnh hưởng lớn nhất ........................ 114 Bảng 3.9 Giá trị thống kê mô tả 15 tham số của mô hình sau 38 lần chạy GA ............... 116 Bảng 3.10 10 giá trị hàm mục tiêu nhỏ nhất qua 38 lần chạy GA .................................... 119 Bảng 3.11 So sánh giá trị sai số RMSE, NSE, RSR và PBIAS của biến trạng thái ở phép tối ưu của 53 tham số bằng GA, với 15 tham số trước và sau khi điều chỉnh.................. 121 Bảng 3.12 Kết quả giá trị 53 tham số mô hình được tối ưu bằng GA .............................. 130 Bảng 3.13 Giá trị sai số RMSE, NSE, RSR và PBIAS trong kiểm định mô hình ........... 133 Bảng 3.14 Tác động, ưu nhược điểm của kịch bản mô phỏng đến nồng độ sinh khối thực vật nổi, oxy hoàn tan và DIP trung bình ở hồ Cự Chính................................................... 148 viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ BĐKH : Biến đổi khí hậu BOD : Biochemical Oxygen Demand (nhu cầu oxy hóa sinh học) BTNMT : Bộ Tài nguyên và Môi trường Chl.a : Chlorophyll-a (Diệp lục a) CZP : Nồng độ sinh khối của động vật phù du DIN : Dissolved Inorganic Nitrogen (Nitơ vô cơ hòa tan) DIP : Dissolved Inorganic Phosphorous (Phốt pho vô cơ hòa tan) DOC : Dissolved Organic Carbon (Carbon hữu cơ hòa tan) DOM : Dissolved Organic Matter (Vật chất hữu cơ hòa tan) ĐVPD : Động vật phù du Fitness : Fitness function (Hàm mục tiêu) GA : Genetic Algorithm (Thuật giải di truyền) ODE : Ordinary differential equations (Phương trình vi phân thường) ON : Organic Nitrogen (Nitơ hữu cơ) OP : Organic Phosphorous (Phốt pho hữu cơ) PBIAS : Percent BIAS (Chỉ số phần trăm sai số) POC : Particulate Organic Carbon (Carbon hữu cơ dạng hạt) POM : Particulate Organic Matter (Vật chất hữu cơ dạng hạt) PTVPT : Phương trình vi phân thường QCVN : Quy chuẩn Việt Nam RMSE : Root Mean Square Error (Sai số quân phương) RSR : RMSE-observations standard deviation ratio (tỷ lệ giữa sai số quân phương và độ lệch chuẩn của số liệu thực đo) TOC : Total Organic Carbon (tổng carbon hữu cơ) TSI : Trophic state index (Chỉ số trạng thái dinh dưỡng) VKL : Vi khuẩn lam WHO : World Health Organization (Tổ chức Y tế thế giới) ix
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ở các vùng nước tĩnh (các ao hồ nông nghiệp, hồ tự nhiên) do ít có sự trao đổi nước với các nguồn nước bên ngoài và ảnh hưởng bởi gió bề mặt, cùng với quá trình đó các chất dinh dưỡng, chất ô nhiễm từ khu vực xung quanh bị rửa trôi do dòng chảy tràn trong lưu vực ngày càng được tích lũy trong các vùng nước làm suy giảm chất lượng nước. Một trong những vấn đề chất lượng nước hay xảy ra ở các vùng nước tĩnh là hiện tượng phú dưỡng gây ra nhiều tác hại như sự phát triển quá mức của rong, tảo và thực vật thủy sinh, làm phát sinh vi khuẩn lam (VKL), tảo độc có hại cho con người và sinh vật. Khi rong tảo, thực vật thủy sinh chết đi sẽ bị phân hủy làm giảm nồng độ oxy hòa tan (DO) sinh ra nitrite (NO2-N) nitrate (NO3-N),… gây độc cho nước, đe dọa trực tiếp đến sự sống của các loài động vật nước như tôm, cá,… Sau mỗi chu kỳ sinh trưởng, phần xác rong, tảo lắng xuống đáy hồ làm cho chúng dần trở nên nông hơn và dung tích trữ nước của các hồ giảm xuống. Hơn nữa, khi tập trung quá mức các chất hữu cơ của xác rong tảo ở đáy hồ trong điều kiện thiếu oxy hòa tan sẽ diễn ra quá trình phân hủy yếm khí tạo ra các khí gây mùi mạnh độc hại như Hydro Sulfua (H2S) và Mercaptane (CH3SH). Chúng có thể gây độc cho cá, sinh vật thủy sinh và phát tán mùi làm ô nhiễm môi trường không khí, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người. Ở các vùng nước tĩnh thì hồ nông với độ sâu trung bình nhỏ hơn 5 mét là nơi thường xuyên xảy ra hiện tượng phú dưỡng [1]. Một trong những hướng nghiên cứu phổ biến và phát triển mạnh hiện nay là việc nghiên cứu xây dựng, phát triển mô hình toán mô phỏng quá trình phú dưỡng hồ (mô hình phú dưỡng hồ) dựa trên mối tương quan của các yếu tố môi trường như nhiệt độ nước, cường độ ánh sáng mặt trời, mưa…đến sự sinh trưởng, phát triển của thực vật nổi và sự trao đổi các chất dinh dưỡng. Mô hình toán với nhiều ưu điểm như cho kết quả tính toán nhanh, giá thành rẻ, dễ dàng thay đổi để phù hợp với các yêu cầu bài toán. Thêm vào đó chúng đưa ra các kết quả dự báo để từ đó đề xuất các biện pháp quản lý phù hợp cải thiện chất lượng nước nhằm đáp ứng chất lượng mục tiêu sử dụng cũng như bảo tồn bền vững chất lượng nước [2]. Ngoài ra, chúng khắc phục khó khăn 1
trong việc tiến hành các thí nghiệm trực tiếp với môi trường tự nhiên do chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố cùng tác động, gây nhiễu kết quả khảo sát và trong nhiều trường hợp việc tiến hành thí nghiệm với môi trường tự nhiên là không thể [3]. Quá trình nghiên cứu phát triển các mô hình phú dưỡng hồ bắt đầu từ thập niên 1970, đã được ứng dụng nhiều vào thực tế và thu được những kết quả đáng ghi nhận. Tuy vậy, các mô hình phú dưỡng hồ trên thế giới được xây dựng, phát triển chủ yếu ở các hồ tự nhiên có diện tích và độ sâu lớn ở những vùng khí hậu ôn đới mà chưa thực sự quan tâm nhiều đến các hồ nhỏ, nông ở vùng khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới. Bên cạnh đó, quá trình phú dưỡng trong hồ diễn ra rất phức tạp, gắn liền với điều kiện cụ thể của từng vùng như điều kiện khí hậu, thủy văn, đặc điểm địa chất và thổ nhưỡng cũng như các hoạt động phát triển kinh tế-xã hội trong khu vực. Do đó, trong một số trường hợp cụ thể, việc áp dụng các mô hình sẵn có tỏ ra không phù hợp. Hơn nữa, việc sử dụng một số phần mềm thương mại trên thế giới thường chi phí rất đắt và đòi hỏi nhiều loại số liệu phức tạp trong khi điều kiện kinh tế còn hạn hẹp chưa thể đáp ứng được. Còn nếu áp dụng các mô hình đó trong điều kiện ở Việt Nam lại thiếu hoặc lược bớt những số liệu cần thiết thì dẫn đến kết quả mô phỏng cũng như dự báo sẽ không đạt được kết quả mong muốn. Hồ nội thành Hà Nội đóng vai trò rất quan trọng trong việc điều hòa nước mưa, tạo cảnh quan, điều hòa khí hậu và còn là nơi cư trú của nhiều động, thực vật nước. Đa số chúng có kích thước vừa, nhỏ và tương đối nông nên có tính chất thủy động lực học chất lượng nước khác với các hồ rộng, sâu nằm ngoài nội thành. Những năm gần đây, hiện tượng tảo “nở hoa” đã xảy ra ở nhiều hồ nội đô ở Hà Nội gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng nước hồ và cảnh quan đô thị. Thực tế này đòi hỏi phải có các nghiên cứu chuyên sâu về diễn biến quá trình phú dưỡng ở hồ Hà Nội làm cơ sở cho việc đề xuất các giải pháp phù hợp để hỗ trợ hoạt động quản lý và kiểm soát hiện tượng phú dưỡng. Vì những lý do nêu trên, đề tài luận án “Nghiên cứu phát triển mô hình toán mô phỏng quá trình phú dưỡng ở các vùng nước tĩnh nông, ứng dụng cho hồ Cự Chính-Hà Nội” được tác giả lựa chọn thực hiện. 2
2. Mục tiêu nghiên cứu Các mục tiêu chính của luận án: - Phát triển công cụ mô hình toán mô phỏng quá trình phú dưỡng ở các vùng nước tĩnh nông. - Ứng dụng mô hình phú dưỡng phát triển vào một hồ tự nhiên nông đang bị ảnh hưởng bởi phú dưỡng ở nội thành Hà Nội. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là quá trình phú dưỡng và các thông số sinh khối thực vật nổi, động vật phù du và chất lượng nước (chất dinh dưỡng của nitơ phốt pho, carbon và nồng độ oxy hòa tan) ở vùng nước tĩnh nông. 3.2 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu luận án: Hồ Cự Chính, một hồ tự nhiên nông đang bị ảnh hưởng bởi phú dưỡng ở nội đô Hà Nội. 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4.1 Cách tiếp cận - Tiếp cận thực tế và kế thừa Phạm vi nghiên cứu mà luận án tập trung vào là các hồ nông đang bị ảnh hưởng bởi phú dưỡng trong nội đô Hà Nội. Vì vậy việc khảo sát thực tế, thu thập thông tin để lựa chọn được đối tượng hồ phù hợp nghiên cứu rất quan trọng. Ngoài ra nghiên cứu sử dụng có chọn lọc các kết quả nghiên cứu của đề tài, dự án trước đây về phú dưỡng hồ có liên quan đến nội dung nghiên cứu của luận án. - Tiếp cận tổng hợp đa ngành Để thực hiện luận án cần sử dụng kiến thức tổng hợp của nhiều ngành khoa học như hóa học, sinh học, toán học để làm rõ mối liên hệ giữa biến trạng thái và các yếu tố ảnh hưởng từ môi trường trong hồ tĩnh nông đang bị phú dưỡng. Từ đó sử dụng công 3
cụ tin học lập trình phát triển một mô hình toán mô phỏng phú dưỡng phù hợp cho điều kiện hồ nông trong nội thành Hà Nội. 4.2 Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp được thực hiện trong luận án gồm có: - Phương pháp phân tích, đánh giá, tổng hợp: Tổng quan nghiên cứu về phú dưỡng, tình hình nghiên cứu phát triển mô hình mô phỏng quá trình phú dưỡng hồ trên thế giới và Việt Nam, khả năng ứng dụng và những hạn chế cần khắc phục. Phân tích, đánh giá các kết quả thu được trên cơ sở kết quả điều tra khảo sát khu vực nghiên cứu và kết quả đo đạc ở hiện trường, phân tích mẫu nước, mẫu thực vật nổi trong phòng thí nghiệm; - Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa: Tổ chức điều tra khảo sát thực tế các hồ trong nội thành Hà Nội để lựa chọn được hồ nghiên cứu phù hợp. Từ đó khảo sát cụ thể điều kiện tự nhiên, điều kiện xã hội ở khu vực nghiên cứu. Từ đó xác định được các thông số của hồ và vị trí, thời gian lấy mẫu phù hợp. - Phương pháp mô hình toán: Sử dụng phương pháp giải số và công cụ lập trình để giải phương trình toán học sang mô hình toán. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5.1 Ý nghĩa khoa học Phát triển được một mô hình toán mô phỏng quá trình phú dưỡng trong các vùng nước tĩnh nông trên cơ sở bổ sung thành phần dinh dưỡng từ khí quyển và lượng nước mưa chảy tràn vào hồ ở trong phương trình động học chất dinh dưỡng. 5.2 Ý nghĩa thực tiễn Áp dụng mô hình phát triển thành công vào hồ Cự Chính nằm trong nội đô Hà Nội. Kết quả nghiên cứu của luận án là tài liệu khoa học phục vụ cho công tác đào tạo và nghiên cứu trong các lĩnh vực liên quan. 6. Những đóng góp mới của luận án - Phát triển được mô hình toán mô phỏng quá trình phú dưỡng trong các vùng nước 4
tĩnh nông bằng việc bổ sung nồng độ chất dinh dưỡng từ khí quyển và nước mưa chảy tràn. - Ứng dụng mô hình đã phát triển cho hồ Cự Chính ở nội đô Hà Nội với giá trị bộ tham số hiệu chỉnh tương ứng. 7. Cấu trúc của luận án Cấu trúc của luận án bao gồm: Mở đầu Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu Trình bày tổng quan các nghiên cứu về mô hình phú dưỡng hồ trên thế giới và Việt Nam. Phân tích, đánh giá chỉ ra những tồn tại của nghiên cứu đã có để từ đó dẫn dắt tới các vấn đề mà luận án tập trung hướng tới để thực hiện. Chương 2. Phát triển mô hình toán mô phỏng quá trình phú dưỡng trong hồ tĩnh nông Xác lập các cơ sở khoa học, thực tiễn trong đó cơ sở lý thuyết phát triển mô hình, các phương pháp nghiên cứu và các số liệu thu thập, đo đạc cần thiết được sử dụng trong nghiên cứu. Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận Trình bày các kết quả trong phát triển mô hình phú dưỡng trong các vùng nước tĩnh nông bao gồm các thành phần cải tiến trong các phương trình toán, kết quả lập trình, hiệu chỉnh, kiểm định và các kịch bản mô phỏng. Kết luận và kiến nghị, Danh mục các công trình đã công bố, Tài liệu tham khảo, Phụ lục. 5
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về phú dưỡng 1.1.1 Khái niệm, cơ chế hình thành phú dưỡng 1.1.1.1 Khái niệm Hiện tượng phú dưỡng (hay phú dưỡng) là một dạng gây suy giảm chất lượng nước thường xảy ra ở các hồ, hồ chứa do nồng độ các chất dinh dưỡng trong hồ tăng quá cao, chủ yếu là phốt pho [4], gây bùng phát thực vật thủy sinh bao gồm tảo trôi nổi tự do, tảo bám dính hay cộng sinh và thực vật nước có rễ hay còn gọi là hiện tượng nở hoa trong nước, dẫn đến làm tăng hàm lượng các chất lơ lửng, chất hữu cơ, làm suy giảm lượng oxy hòa tan trong nước nhất là ở tầng đáy gây ảnh hưởng không tốt đến chất lượng và hệ sinh thái nước [5]. 1.1.1.2 Cơ chế hình thành Khi mới hình thành, các hồ đều ở tình trạng nghèo dinh dưỡng, nước thường khá trong. Chất dinh dưỡng đến hồ được bổ sung từ nước mưa, dòng chảy mang phù sa giàu chất dinh dưỡng, khoáng chất, trầm tích, sự phân hủy xác động thực vật thủy sinh và chất thải của chúng. Do các chất rắn, trầm tích lắng xuống đáy hồ và sự phát triển mạnh của các loài thực vật có rễ ở ven bờ làm cho hồ nước ngày trở nên nông hơn và diện tích mặt thoáng ngày càng bị thu hẹp nên hồ tự nhiên sẽ dần biến thành các đầm lầy sau đó trở thành các đồng cỏ [6]. Sự tăng trưởng của thực vật nổi đặc biệt là tảo là một trong những quá trình chủ yếu của phú dưỡng. Sinh khối thực vật nổi được sản sinh thông qua quá trình quang hợp bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời và các chất vô cơ được tóm tắt như sau [1]: Ánh sáng + 6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2 (1-1) Trong đó glucose (C6H12O6) đại diện cho hợp chất hữu cơ trong thực vật. Thực vật nổi sản sinh ra oxy thông qua quá trình quang hợp và tiêu thụ oxy thông qua quá trình hô hấp. Lượng oxy sản sinh ra phụ thuộc vào dạng nitơ vô cơ sử dụng cho quá trình tăng trưởng của thực vật nổi được thể hiện trong phương trình sau [7]: 106CO +16NH +HPO +106H O NL NTVL  C H O N P + 106O + 15H (1-2) 6
106CO +16NO +HPO +122H O+17H NL NTVL  C H O N P +138O (1-3) Khi cường độ bức xạ mặt trời tăng lên sẽ cung cấp thêm nguồn năng lượng cho quá trình quang hợp dẫn đến sinh khối của thực vật nổi tăng khi sử dụng các chất dinh dưỡng dưới dạng hòa tan. Cơ chế này tiếp diễn đến khi chất dinh dưỡng trong nước không đáp ứng được nhu cầu phát triển của thực vật nổi thì sự gia tăng sinh khối sẽ dừng lại [8]. 1.1.2 Nguyên nhân gây phú dưỡng Theo nhiều nghiên cứu, có nhiều nguyên nhân dẫn đến phú dưỡng nhưng chủ yếu do nồng độ các chất dinh dưỡng trong vùng nước cao, đặc biệt là các muối đa lượng của nitơ và phốt pho [9], nhiệt độ nước ấm, cường độ bức xạ mặt trời ở mức cao, giá trị pH cao và nồng độ CO2 thấp [10], [11]. Đối với các vùng nước chịu ảnh hưởng của các nguồn thải đầu vào thì nguyên nhân chính gây ra phú dưỡng là do các nguồn đầu vào chứa nhiều chất dinh dưỡng [12]. Các nguồn thải chủ yếu gây ra phú dưỡng là từ khu vực đô thị và từ hoạt động sản xuất nông nghiệp. Trong đó, nguồn thải đô thị (công nghiệp, sinh hoạt) đóng góp một lượng đáng kể các chất dinh dưỡng đổ vào hệ thống sông, hồ. Thêm vào đó tại các đô thị, việc sử dụng các chất tẩy rửa trong sinh hoạt nên nước thải sinh hoạt là một trong những nguồn bổ sung phốt pho quan trọng đổ vào các vùng nước [13]. Có hai loại nguồn dinh dưỡng chủ yếu là nguồn điểm và nguồn phân tán. Các nguồn phân tán thường là mối quan tâm lớn hơn nguồn điểm vì lượng lớn, phạm vi rộng và khó kiểm soát hơn. Các nguồn phân tán như lắng đọng từ khí quyển và nước chảy tràn trên bề mặt đã thay thế nguồn điểm là tác nhân chính gây phú dưỡng trong nhiều loại vùng nước khác nhau [14]. Nguồn cung cấp nitơ và phốt pho từ sự lắng đọng của khí quyển bao gồm khuếch tán từ không khí (lắng đọng khô) và mưa (lắng đọng ướt) là nguồn dinh dưỡng đáng kể từ bên ngoài cho hệ sinh thái dưới nước đặc biệt với các vùng nước ở trong các khu vực đô thị khi ít có sự gia nhập của các nguồn thải tập trung. Chất ô nhiễm được lắng đọng trực tiếp hoặc gián tiếp vào trong các vùng nước và ảnh hưởng đến chất lượng nước của chúng. Lắng đọng trực tiếp xảy ra khi các chất ô nhiễm được lắng đọng lên bề mặt 7
của vùng nước còn lắng đọng gián tiếp xảy ra khi các chất ô nhiễm được lắng đọng trên bề mặt đất trước và sau đó được rửa trôi vào trong nước thông qua lượng nước mưa chảy tràn [15]. Trong đó, sự lắng đọng nitơ có nồng độ cao hơn so hơn với phốt pho bao gồm nitơ vô cơ hòa tan và một số hợp chất hữu cơ khác [6] bởi trong thành phần của không khí nitơ chiếm tới 78% theo thể tích. Theo nghiên cứu của FISRWG trong nước mưa nồng độ trung bình của TN là 0,9 mg/l trong khi đó TP là 0,015 mg/l [16]. Ở Việt Nam theo nghiên cứu của Minju Lee et al. (2017) quan trắc, phân tích chất lượng nước mưa tại Cự Khê (Hà Nội) từ tháng 8 năm 2014 đến tháng 7 năm 2015 cho giá trị nồng độ trung bình của NO2-N là 0,23 (0-1,398) mg/l, NO3-N là 0,96 (0,1- 8,6) mg/l và NH4-N là 0,33 (0,03-0,86) mg/l. Thêm vào đó nghiên cứu của Nguyen Thi Thu Thuy et al. (2017) cho thấy nồng độ DOC, POC được quan trắc tại Hà Nội năm 2015 ở giai đoạn mùa mưa (từ 4-20 tháng 8) có giá trị nồng độ trung bình lần lượt là 1,51 (0,9-2,11) mg/l; 1,06 (0,05-4,57) mg/l và mùa khô (ngày 4-30 tháng 11) là 1,09 (0,51-1,83) mg/l; 0,41 (0,26-0,72) mg/l [17]. Từ các nghiên cứu cho thấy nồng độ chất dinh dưỡng trong nước mưa ở khu vực Hà Nội khá cao góp phần cung cấp thêm nguồn dinh dưỡng cho các hồ. Thêm vào đó do ảnh hưởng của quá trình đô thị hóa khi thảm thực vật trên bề mặt đệm được thay bằng những toà nhà, khu trung tâm thương mại, bãi đậu xe, mặt đường giao thông và các công trình dân dụng khác đã làm cho bề mặt đệm không thấm tăng lên ở đô thị. Bề mặt đệm không thấm tăng cùng với các hoạt động phát triển kinh tế trên bề mặt đệm làm nhiều chất ô nhiễm tích luỹ trên bề mặt và khi mưa các chất ô nhiễm sẽ cuốn trôi theo nước mưa chảy tràn [18]. Nguồn chất dinh dưỡng trong nước mưa chảy tràn đổ vào hồ là một trong những nguồn quan trọng làm suy thoái chất lượng nguồn nước trong đó có các chất hữu cơ chủ yếu là hợp chất của nitơ và phốt pho. Nước mưa chảy tràn có nồng độ TN trong khoảng từ 3-10 mg/l và TP từ 0,2-1,7 mg/l [16]. Ở Việt Nam trong nghiên cứu của Nguyễn Văn Hồng khi phân tích các mẫu nước mưa chảy tràn đặc trưng cho khu vực đô thị ở thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2013-2014 có giá trị nồng độ trung bình các chất hữu cơ bao gồm TN là 2,82 (2,016-3,98) mg/l, NH4-N là 1,46 (0,905- 1,976) mg/l, NO3-N là 0,201 (0,056-0,371) mg/l và TP là 0,608 (0,135-1,126) mg/l [18]. 8
Ngoài ra chất dinh dưỡng tuần hoàn từ quá trình bài tiết của các sinh vật, sự phân hủy và trao đổi các chất dinh dưỡng ở bề mặt trầm tích đáy và cột nước góp phần lớn thúc đẩy quá trình phú dưỡng trong hồ. 1.1.3 Phương pháp đánh giá phú dưỡng hồ Đánh giá phú dưỡng là điều cần thiết để xác định mức độ phú dưỡng trong khu vực nghiên cứu để có cái nhìn tổng thể, từ đó đề xuất các giải pháp phù hợp để giảm thiểu tác động tiêu cực của chúng. Để nhận biết trạng thái dinh dưỡng trong các vùng nước, một số thuật ngữ như nghèo dinh dưỡng, dinh dưỡng trung bình, phú dưỡng và siêu phú dưỡng đã được định nghĩa để sử dụng [19]. Nghèo dinh dưỡng là trạng thái hồ có nồng độ chất dinh dưỡng thấp, không có động thực vật thủy sinh. Những hồ này có rất ít thực vật nổi và thích hợp cho mục đích cấp nước. Trung dưỡng là trạng thái hồ có nồng độ dinh dưỡng trung bình, đời sống của động thực vật thủy sinh khá phong phú và cho thấy những dấu hiệu ban đầu các vấn đề chất lượng nước. Phú dưỡng là trạng thái hồ có nhiều chất dinh dưỡng tập trung, sinh vật nổi phát triển phong phú, cho thấy dấu hiệu ngày càng lớn các vấn đề chất lượng nước. Siêu phú dưỡng là trạng thái hồ mà nồng độ chất dinh dưỡng chiếm ưu thế, sự phát triển của thực vật thủy sinh được xác định bởi các yếu tố vật lý. Các vấn đề chất lượng nước gần như liên tục và trở nên nghiêm trọng. Sinh vật thủy sinh ngưng phát triển ở độ sâu thấp hơn khi nồng độ oxy hòa tan suy giảm [20]. Có nhiều nghiên cứu phát triển phương pháp đánh giá phú dưỡng và điển hình trong số đó là phương pháp của Hakanson et al. (2007) khi tập trung sử dụng giá trị nồng độ của các thông số TN, TP và Chlorophyll-a (Chl.a) để phân chia thành các mức độ dinh dưỡng [21]. Bảng 1.1 Phân loại mức độ dinh dưỡng hồ theo phương pháp Hakanson [21] Nghèo dinh Dinh dưỡng Siêu phú Thông số Phú dưỡng dưỡng trung bình dưỡng Tổng phốt pho (mg/l) < 0,008 0,008 – 0,025 0,025 – 0,06 > 0,06 Tổng nitơ (mg/l) < 0,06 0,06 – 0,18 0,18 – 0,43 > 0,43 Chl.a (g/l) 20 Hiện nay nồng độ TN và TP được coi là yếu tố chính gây ra hiện tượng phú dưỡng trong hệ sinh thái nước ngọt. Như vậy với phương pháp của Hakanson đánh giá mức 9