Tóm tắt Luận án tiến sĩ Nông nghiệp: Nghiên cứu khả năng chịu tải môi trường của sông phù sa, dưới ảnh hưởng của thủy triều

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:32

Thêm vào BST

Báo xấu

50
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án được nghiên cứu với mục tiêu nhằm khả năng chịu tải môi trường của sông vùng nghiên cứu và các giải pháp nhằm ổn định môi trường nước trong điều kiện phát triển về kinh tế xã hội và biến đổi khí hậu trong tương lai, ứng dụng mô hình toán ba chiều mô phỏng đặc tính thủy lực dòng chảy và diễn biến chất lượng nước Sông Hậu (đoạn qua từ Phà Vàm Cống đến Cầu Cần Thơ).

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Nông nghiệp: Nghiên cứu khả năng chịu tải môi trường của sông phù sa, dưới ảnh hưởng của thủy triều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH: MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC MÃ NGÀNH: 9440303 TÊN NGHIÊN CỨU SINH: PHẠM THÀNH NHƠN TÊN LUẬN ÁN: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU TẢI MÔI TRƯỜNG CỦA SÔNG PHÙ SA, DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA THỦY TRIỀU CẦN THƠ - 2018
CÔNG TRÌNH ĐÃ HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ Người hướng dẫn: PGs.Ts Nguyễn Hiếu Trung Luận án được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp cơ sở Họp tại: Phòng bảo vệ luận án Tiến sĩ, Trường Đại học Cần Thơ. Vào lúc 14 giờ 00 ngày 09 tháng 01 năm 2018. Phản biện 1: PGs.Ts Lê Anh Tuấn Phản biện 2: PGs.Ts Châu Nguyễn Xuân Quang Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Trung tâm Học liệu, Trường Đại học Cần Thơ. Thư viện Quốc gia Việt Nam ii
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU 1. Phạm Thành Nhơn, PGs.Ts Nguyễn Hiếu Trung, Ts Văn Phạm Đăng Trí, 2014. Xác định đặc tính địa mạo và động thái thủy lực dòng chảy trên sông Hậu. Tạp Chí Tài nguyên và Môi trường - Bộ Tài nguyên và Môi trường số 19(200) kỳ số 2 tháng 9 năm 2014. ISSN 1859-1477. 2. Phạm Thành Nhơn, PGs.Ts Nguyễn Hiếu Trung, Ts Văn Phạm Đăng Trí, 2014. Lan truyền chất ô nhiễm trên sông Hậu khu vực khu công nghiệp Thốt Nốt và Trà Nóc. Tạp Chí Tài nguyên và Môi trường - Bộ Tài nguyên và Môi trường số 19(201) kỳ số 1 tháng 10 năm 2014. ISSN 1859-1477. 3. Phạm Thành Nhơn, PGs.Ts Nguyễn Hiếu Trung, 2017. Thiết lập và xây dựng mô hình toán ba chiều xác định đặc tính thủy lực và mô phỏng sự thay đổi hình thái và địa mạo sông Hậu đoạn từ Phà Vàm Cống đến Cầu Cần Thơ. Tạp Chí Tài nguyên và Môi trường - Bộ Tài nguyên và Môi trường số 13 (267) kỳ số 1 tháng 7 năm 2017. ISSN 1859-1477. 4. Phạm Thành Nhơn, PGs.Ts Nguyễn Hiếu Trung, 2017. Ứng dụng mô hình toán ba chiều mô phỏng diễn biến chất lượng nước lưu vực sông Hậu theo xu thế phát triển kinh tế xã hội - kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Tạp chí Tài nguyên và Môi Trường - Bộ Tài nguyên và Môi trường kỳ 2 tháng 9 năm 2017. ISSN 1859-1477. 5. Phạm Thành Nhơn, PGs.Ts Nguyễn Hiếu Trung, 2017. Nghiên cứu khả năng tiếp nhận nước thải công nghiệp của sông Hậu theo định hướng phát triển kinh tế - xã hội đến năm 2030. Tạp chí Tài nguyên và Môi Trường - Bộ Tài nguyên và Môi trường kỳ 1 tháng 4 năm 2018. ISSN 1859-1477. iii
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề Ô nhiễm dòng sông là vấn đề ô nhiễm môi trường mang tính tổng hợp. Nguyên nhân gây ô nhiễm nước sông không chỉ do chất thải từ hoạt động công nghiệp, y tế, đô thị, thương mại, khu dân cư chưa qua xử lý hoặc xử lý chưa đạt quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia mà còn phát sinh từ các hoạt động khác như nuôi trồng thủy sản, giao thông thủy, nước mưa chảy tràn qua các vùng ô nhiễm. Hiện nay, việc đánh giá chất lượng nước, dự báo diễn biến chất lượng nước trong tương lai, các tính toán quá trình lan truyền các chất hòa tan có ý nghĩa lớn đối với việc lập kế hoạch bảo vệ nguồn nước. Dự báo và tính toán chính xác các quá trình chuyển hóa theo không gian, thời gian đa phần không thể được vì tính phức tạp, và thiếu các nghiệm giải tích phương trình mà nó mô tả sự phân bố nồng độ các thành phần trên kênh, sông. Hơn nữa, số lượng tham số và phương trình mô tả rất lớn nên việc tìm kiếm lời giải gặp nhiều khó khăn. Thủy động lực của sông là quá trình phức tạp do sự hiện diện bờ sông dài, tác động nhiều yếu tố, kênh rạch, các công trình nhân tạo, sự pha trộn của nước ngọt và nước mặn, và các yếu tố kết hợp giữa lưu lượng nước thượng nguồn đổ về và mực nước biển dâng, thủy triều, gió, sóng (Kelin et al, 2009). Để hiểu đầy đủ các quá trình thủy động lực của đoạn sông nghiên cứu là rất quan trọng cho việc thiết lập và xây dựng các công trình nhân tạo, bảo vệ môi trường, cấp phép xả thải và các kế hoạch phát triển trong vùng. Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin cũng như khoa học kỹ thuật nói chung, các mô hình toán ứng dụng cũng ngày càng được phát triển nhiều hơn cho kết quả tính toán nhanh, giá thành rẻ, dễ dàng thay đổi các kịch bản bài toán,...(Tran Hong Thai et al, 2006 và Tri Pham Dang Van, 2010). Các mô hình một chiều, hai chiều được phát triển và mô phỏng các quá trình dòng chảy, xâm nhập mặn, và chất lượng nước ở sông Hậu đáng kể đến như mô hình một chiều, hai chiều sai phân hữu hạn mô phỏng đặc tính thủy lực, chất lượng nước, xâm nhậm mặn và tính toán bồi xói (Chau K.W, 1996). Nghiên cứu này trình bày một số kết quả bước đầu ứng dụng bộ phần mềm MIKE 3 (Mô đun FM HD, FM MT và Ecolab) để mô phỏng đặc tính thủy lực và chất lượng nước lưu vực sông Hậu theo không gian và thời gian về chế độ thủy lực (mực nước, vận tốc, lưu lượng dòng chảy) diễn biến chất lượng nước (DO, BOD5, NH4+, NO3- và Photpho tổng) làm cơ sở khoa học cho việc việc xem xét đánh giá chất lượng nước theo thời gian trong điều kiện biên hiện tại; dự báo lan 1
truyền chất hòa tan ô nhiễm lưu vực sông Hậu theo xu thế phát triển kinh tế - xã hội - kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng cho Việt Nam được Bộ Tài nguyên và Môi trường xây dựng và công bố năm 2016 và đánh giá khả năng tự làm sạch của dòng sông so với trường hợp hiện trạng. 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.2.1 Mục tiêu tổng quát Khả năng chịu tải môi trường của sông vùng nghiên cứu và các giải pháp nhằm ổn định môi trường nước trong điều kiện phát triển về kinh tế xã hội và biến đổi khí hậu trong tương lai, ứng dụng mô hình toán ba chiều mô phỏng đặc tính thủy lực dòng chảy và diễn biến chất lượng nước Sông Hậu (đoạn qua từ Phà Vàm Cống đến Cầu Cần Thơ). 1.2.2 Mục tiêu cụ thể Xây dựng cơ sở dữ liệu nguồn ô nhiễm chính (nguồn điểm và nguồn phân tán) đến chất lượng nước Sông Hậu. Xây dựng mô hình thủy lực ba chiều mô phỏng đặc tính thủy lực dòng chảy Sông Hậu (đoạn qua từ Phà Vàm Cống đến Cầu Cần Thơ) dựa vào các kịch bản khác nhau về biến đổi khí hậu và sự thay đổi của địa mạo đáy sông. Xây dựng mô hình thủy lực ba chiều mô phỏng diễn biến chất lượng nước Sông Hậu theo kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Ứng dụng mô hình ba chiều dự báo sự lan truyền ô nhiễm trên Sông Hậu theo các kịch bản về sự thay đổi điều kiện thủy văn ở thượng nguồn và kịch bản của nước biển dâng. 1.3 Nội dung nghiên cứu Thu thập, tổng hợp tài liệu, số liệu về điều kiện tự nhiên, KT-XH, tài nguyên và môi trường, định hướng phát triển KT-XH tại các tỉnh, thành thuộc lưu vực sông Hậu và vùng thượng lưu vực sông Mê Kông; tổng hợp tài liệu, số liệu về hiện trạng môi trường vùng thượng lưu sông Mê Kông. Điều tra, khảo sát và tính toán tổng tải lượng thải từ các nguồn ô nhiễm. Thu mẫu, quan trắc, đánh giá hiện trạng môi trường nước mặt sông Hậu và đặc tính các nguồn thải; điều tra, khảo sát và tính toán tổng tải lượng thải từ các nguồn ô nhiễm (nguồn điểm và nguồn phân tán) Xây dựng mô hình toán thủy lực ba chiều để xác định đặc tính thủy lực của Sông Hậu dựa vào những lát cắt thực đo và mô phỏng đặc tính thủy lực dựa trên nền địa mạo đáy lòng sông nội suy từ các lát cắt thực đo. 2
Xác định các điều kiện biên của mô hình: biên mực nước, biên lưu lượng, mặt cắt ngang. Xây dựng mô hình thủy lực ba chiều mô phỏng diễn biến nồng độ các thông số chất lượng nước (DO, BOD5, NH4+ NO3- và Photpho tổng,..) sông Hậu. Xây dựng các kịch bản mô phỏng chất lượng nước sông Hậu dựa trên các kịch bản của nước biển dâng và sự thay đổi về điều kiện thủy văn ở thượng nguồn. 1.4 Ý nghĩa khoa học của luận án 1.4.1 Về khoa học Việc tính toán và dự báo tổng tải lượng các nguồn thải ra sông Hậu ở hiện tại và tương lai trên các kịch bản xây dựng đã ước tính tải lượng các chất ô nhiễm phát sinh từ các hoạt động kinh tế - xã hội; cơ sở lý thuyết tính toán và phương pháp tính toán đã được nghiên cứu và kiểm nghiệm thực tế trong việc tính toán nồng độ và tải lượng chất ô nhiễm có xét đến cơ chế phân hủy và tự làm sạch tự nhiên bằng các hệ số tương ứng. Kết quả nghiên cứu thể góp phần hỗ trợ xây dựng cơ sở lý luận cho công tác quản lý về tài nguyên nước trong việc phân vùng xả thải, cấp giấy phép xả thải cho các doanh nghiệp đang hoạt động trong vùng nghiên cứu. Nghiên cứu đặc tính thủy lực và chất lượng nước đoạn sông nghiên cứu qua số liệu thực đo và tính toán, sự tương tác giữa chúng và cấu trúc ba chiều “Ngang - dọc - đứng”và phân tầng “Mặt - giữa - đáy”có tính chất khác nhau. Áp dụng bộ phần mềm MIKE 3 (FM HD, FM MT và ECOLab) để mô phỏng đặc tính thủy lực và diễn biến chất lượng nước đoạn sông nghiên cứu với kết quả mô phỏng phù hợp với số liệu thực đo. Trong nghiên cứu đã sử dụng mô hình MIKE 3 để mô phỏng đặc tính thủy lực, thay đổi hình thái và địa mạo của đoạn sông nghiên cứu. Mô hình đã được kiểm định và hiệu chỉnh với số liệu thực đo thủy lực cũng như số liệu biến đổi địa hình. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa rất quan trọng làm cơ sở khoa học cho việc tính toán phân vùng xả thải sông Hậu, cơ sở khoa học cho việc tính sự lan truyền chất do sự cố môi trường, sự cố tràn dầu và tính toán khả năng tiếp nhận nước thải cho các lưu vực sông khác trên cả nước. Mô phỏng diễn biến chất lượng nước để đánh giá sự ô nhiễm nguồn nước theo không gian (sông Hậu đoạn từ Phà Vàm Cống đến Cầu Cần Thơ và thời gian (giờ). Từ đó làm cơ sở cho việc đánh giá, dự báo và kiểm soát tài nguyên nước 3
mặt trong vùng phục vụ công tác quản lý, sử dụng và bảo tồn nguồn tài nguyên nước mặt của khu vực. Kết quả chạy trong mô hình MIKE 3 với mô đun sinh thái (ECOLab) để đánh giá diễn biến và mô phỏng chất lượng nước đoạn sông nghiên cứu cho một số hằng chính trong mô hình như là: Hệ số phụ thuộc nhiệt độ, tốc độ suy giảm BOD5 tại (20°C), tốc độ nitơrat hóa tại tại (20°C), tốc độ khử nitơrát hóa tại (20°C), tốc độ phân hủy phốtpho tại (20°C), tỉ số thành phần Nitơ có trong vật chất hữu cơ N/BOD và tỉ số Ôxy cần cho phản ứng khử Nitơ để đánh giá khả năng tự làm sạch. Với các sông phù sa, có điều kiện tự nhiên tương tự có thể áp dụng các hằng số này trong nghiên cứu. 1.4.2 Về thực tiễn Đây là điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu ứng dụng giải quyết nhiều bài toán thực tiễn về tải lượng và khả năng tiếp nhận nguồn nước đối với chất ô nhiễm. Trong nghiên cứu này trình bày một số kết quả bước đầu ứng dụng các phương pháp đã được thực hiện và kiểm nghiệm trong thực tế phục vụ trong công tác quản lý lưu vực nước được Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành quy định trong việc cấp phép xả thải vào nguồn nước và phân vùng xả thải đối với các nguồn thải cố định và áp dụng các công cụ kinh tế hợp lý đối với từng đối tượng thải. Kết quả của nghiên cứu cung cấp cho địa phương công cụ có thể giám sát, đánh giá theo dõi sự thay đổi của nguồn xả thải có tác động như thế nào đến chất lượng nguồn nước; để từ đó có thể đề xuất các giải pháp quy hoạch thích ứng trong điều kiện biến đổi khí hậu hiện nay góp phần phục vụ sự phát triển bền vững kinh tế - xã hội trên lưu vực. Góp phần đưa các ứng dụng khoa học công nghệ vào dự báo, phục vụ công tác quản lý, đánh giá chất lượng môi trường nhằm nâng cao hiệu quả công tác quản lý môi trường. Làm cơ sở phục vụ cho các chương trình hành động vì môi trường, đảm bảo được các mục tiêu phát triển kinh tế - xã hội ổn định, lâu dài và bền vững. Đồng thời, giúp các cơ quan quản lý có được một bức tranh tổng thể về chất lượng môi trường nước mặt mà có những hoạch định chiến lược, kế hoạch và biện pháp thích hợp nhằm hạn chế vấn đề ô nhiễm môi trường trong hoạt động phát triển kinh tế - xã hội thuộc khu vực. 1.5 Những luận điểm khoa học mới của nghiên cứu Đến thời điểm hiện nay, chưa có nghiên cứu nào áp dụng mô hình toán ba chiều thực hiện nghiên cứu sức chịu tải môi trường của sông phù sa, dưới ảnh hưởng của thủy triều trong điều kiện phát triển kinh tế xã hội như hiện nay. Việc ứng 4
dụng ứng dụng bộ phần mềm MIKE 3 để mô phỏng đặc tính thủy lực và chất lượng nước lưu vực sông Hậu theo không gian ba chiều và thời gian về chế độ thủy lực (mực nước, vận tốc, lưu lượng dòng chảy) diễn biến chất lượng nước (DO, BOD5, NH4+, NO3- và Photpho tổng) lần đầu tiên được nghiên cứu mà các nghiên cứu vừa nêu trên và các nghiên cứu khác ở Việt Nam chưa thực hiện. Kết quả nghiên cứu này có ý nghĩa rất quan trọng đối với việc đề xuất một số chính sách, biện pháp cụ thể đối với quá trình lập và thực hiện các quy hoạch phát triển kinh tế xã hội được lồng ghép yếu tố môi trường đảm bảo phát triển kinh tế xã hội và bảo vệ môi trường; đồng thời, sẽ dự báo khả năng tiếp nhận nước thải tối đa hàng ngày của sông Hậu với các nguồn ô nhiễm đối với các kịch bản phát triển kinh tế - xã hội, biến đổi khí hậu, nước biển dâng và dự báo khả năng cung cấp nước sạch trong tương lai. Nghiên cứu này đóng góp quan trọng cho sự hiểu biết của chúng ta về sự thay đổi trong hình học thủy lực ở đoạn sông nghiên cứu và những điều khám phá được từ những nghiên cứu tiếp theo ở sông Hậu. Kết quả nghiên cứu cũng cung cấp thông tin về các mối quan hệ hình học thủy lực ở vùng hạ lưu sông Mê Kông tạo cơ sở khoa học tiếp tục thực hiện các nghiên cứu tiếp theo. Kết quả nghiên cứu cho thấy, xảy ra quá trình khả năng tự làm sạch sinh học và vật lý, thông qua quá trình pha loãng của dòng chảy và phân rã chất hữu cơ ở khu vực nghiên cứu là trung bình; các hằng số trong mô hình cho thấy khả năng tự làm sạch của hệ sinh thái tại khu vực nghiên cứu là khá thấp. Kết quả nghiên cứu đóng góp rất cụ thể cho công tác quản lý môi trường và tài nguyên nước cho tỉnh vùng ĐBSCL và đề xuất của luận án khả thi và phù hợp với thực tế. 5
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 2.1 Điều kiện tự nhiên vùng nghiên cứu Theo báo cáo hiện trạng môi trường giai đoạn 2011-2015 của Thành phố Cần Thơ, tỉnh An Giang, tỉnh Đồng Tháp, tỉnh Vĩnh Long và báo cáo tổng hợp kết quả quan trắc môi trường năm (2015, 2016) của Tổng cục Môi trường - Bộ Tài nguyên và Môi trường và Cục kiểm soát ô nhiễm năm 2012 2.1.1 Vị trí địa lý Thành phố Cần Thơ nằm trong vùng trung - hạ lưu và ở vị trí trung tâm châu thổ đồng bằng sông Cửu Long, trải dài trên 55km dọc bờ Tây sông Hậu, tổng diện tích tự nhiên 1.401,61 km2, chiếm 3,49% diện tích toàn vùng. Phía Bắc giáp tỉnh An Giang; phía Đông giáp tỉnh Đồng Tháp và tỉnh Vĩnh Long, phía Tây giáp tỉnh Kiên Giang, phía Nam giáp tỉnh Hậu Giang 2.1.2 Đặc điểm địa hình, địa mạo, trầm tích Địa hình vùng nghiên cứu thấp dần theo 2 hướng: từ Bắc xuống Nam và từ Tây sang Đông. Vùng ven biển là dạng địa hình đặc trưng thấp có độ cao từ 0,5-0,8m xen lẫn các giồng cát cao từ 1,0-1,5m và các vùng trũng, thấp và ngập triều. Vùng nghiên cứu có địa hình tương đối bằng phẳng, độ cao trung bình trong toàn vùng thấp dưới 5m so với mặt nước biển và có các đặc trưng bởi quá trình trầm tích khác nhau 2.1.3 Đặc điểm khí hậu Khu vực nghiên cứu nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, khí hậu nóng ẩm quanh năm, nền nhiệt độ cao và khá ổn định. Sự đối lưu không khí ở khu vực chịu ảnh hưởng chủ yếu của gió Đông Bắc và gió Tây Nam, phân hóa thành hai mùa khác biệt trong năm qua một thời kỳ chuyển tiếp giữa hai mùa 2.1.4 Chế độ thủy triều và dòng chảy Chế độ thủy văn có liên quan mật thiết với chế độ thuỷ văn sông Mê Kông, thủy triều biển Đông và mưa nội đồng. Thủy triều nằm ở cửa sông Hậu với hệ thống sông rạch chằng chịt nên toàn vùng chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của chế độ bán nhật triều không đều của biển Đông, với những diễn biến thủy văn khá phức tạp. 2.2 Chất lượng nước mặt vùng nghiên cứu 2.2.1 Tổng quan về chất lượng nước Chất lượng nước bao gồm các đặc trưng về hàm lượng các chất hòa tan hoặc không hòa tan trong nước; có lợi hoặc có hại theo tiêu chuẩn của đối tượng sử dụng (Huỳnh Vương Thu Minh, 2010). Chất lượng nước phụ thuộc vào rất nhiều 6
yếu tố bao gồm các điều kiện tự nhiên như địa chất, địa mạo, sinh thái, chế độ khí hậu thủy văn và các tác động của con người trong lưu vực sông (Galloway, J.N and Cowling E.B, 2002). Chất lượng nước trên sông và trên các kênh gạch luôn thay đổi do quá trình vật lý, hóa học và sinh học. Quá trình này bao gồm quá trình tải, khuếch tán, phân tán, hấp thụ và quá trình biến đổi sinh hóa học (Huỳnh Vương Thu Minh, 2010). 2.2.2 Ảnh hưởng của phát triển công nghiệp đến chất lượng nước mặt sông Hậu Theo báo cáo của Bộ Kế hoạch và Đầu tư trong năm 2016, cả nước có 325 khu công nghiệp (KCN) và 16 khu kinh tế (KKT). Cả nước có 94,9 nghìn ha diện tích đất tự nhiên của các KCN, cùng với xấp xỉ 815 nghìn ha tổng diện tích mặt đất và mặt nước của các khu kinh tế. Đối với các KCN, diện tích đất công nghiệp có thể cho thuê chiếm khoảng 67% tổng diện tích đất tự nhiên. Trong đó 220 KCN đã đi vào hoạt động, 105 KCN đang trong giai đoạn đền bù giải phóng mặt bằng. 2.3. Mô hình cơ bản cho việc mô phỏng sự lan truyền chất một chiều trên sông 2.3.1 Tổng quan về mô hình chất lượng nước Mô hình chất lượng nước là một trong những công cụ quản lý chất lượng nguồn nước một cách tổng quát và toàn diện, mang lại hiệu quả kinh tế cao. Trong những năm gần đây được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực dự báo ô nhiễm, đánh giá xu thế biến đổi chất lượng nước, khai thác sử dụng hợp lý nguồn nước và làm cơ sở khoa học cho việc bảo vệ và tổng hợp nguồn nước (Bùi Tá Long, 2008). Mô hình chất lượng nước là các phần mềm tính toán các chỉ tiêu phản ánh chất lượng nguồn nước. Các chỉ tiêu bao gồm: các chỉ tiêu vật lý, hóa học và các thành phần sinh học của nguồn nước trên cơ sở giải các phương trình toán học mô tả mối quan hệ giữa các chỉ tiêu phản ánh chất lượng nước cũng như các quá trình có liên quan đến nó. Theo Nguyễn Ngọc Lân, 2009), 2.3.2 Mô hình mô phỏng sự hình thành chất lượng nguồn nước Mô phỏng sự hình thành các nguồn gây ô nhiễm (các nguồn thải và tải lượng các chất thải) và sự thay đổi chất lượng nước theo thời gian và không gian. Thiết lập trên cơ sở ghép nối các mô hình thủy lực với mô hình lan truyền chất ô nhiễm trong dòng chảy như WSHMM, MIKE SYSTEM. Tuỳ thuộc đối tượng cụ thể, mục đích nghiên cứu đánh giá mà các loại mô hình kể trên được thiết lập, tính toán mô tả các quá trình trong không gian 1 hoặc 2, 3 chiều. 7
2.4 Kết quả nghiên cứu trên thế giới Ứng dụng mô hình toán MIKE 3 (các mô đun FM HD, FM MT và ECOLab) để mô phỏng động thái thủy lực dòng chảy và hình thái và địa mạo đáy sông về chế độ thủy lực (mực nước, lưu lượng dòng chảy) diễn biến chất lượng nước từ các nguồn điểm dọc theo sông Gota Alv nằm ở bờ biển phía tây của Thụy Điển. Mục tiêu của nghiên cứu này là để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình, và chạy mô hình để đánh giá việc vận chuyển từ một tập hợp các nguồn ô nhiễm điểm nước thải. Nghiên cứu này bước đầu tiên cung cấp sự hiểu biết biết tốt hơn về việc quản lý chất lượng nước vi sinh ở quy mô của toàn bộ dòng sông và cơ sở tốt hơn cho các quyết định bảo vệ khỏi các bệnh do nước uống thông qua tiêu thụ nước uống (Astrom J et al, 2007) (Martina Bocci Astrom J et al, 2006) sử dụng mô hình toán MIKE 3 để mô phỏng dòng chảy và vận chuyển nước thải và các chất gây ô nhiễm ở Biển Adriatic và trong vùng nước ven biển của Venice. Vùng biển Adriatic mới đã được thiết kế để xả nước thải sau khi xử lý tại nhà máy Fusina, một nhà máy xử lý lớn nằm ở Porto Marghera trong khu vực công nghiệp của Venice (Ý). Kết quả nghiên cứu chứng minh tác động được tạo ra bằng cách chuyển tải lượng ô nhiễm còn lại ra biển và do đó chứng minh rằng vị trí thoát mới cũng tương thích với việc bảo tồn môi trường ven biển. 2.5 Kết quả nghiên cứu ở Việt Nam (Trần Hồng Thái và ctv, 2007) sử dụng mô hình toán học để tính toán dự báo xu thế biển đổi chất lượng nước phụ thuộc vào các kịch bản kinh tế xã hội ở lưu vực sông Sài Gòn Đồng Nai. Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình MIKE 11 có thể áp dụng hiệu quả để mô phỏng và tính toán dự báo kịch bản của môi trường nước cho sông Sài Gòn Đồng Nai. Với tính chính xác, mềm dẻo và hiệu quả, việc ứng dụng mô hình MIKE 11 cho bài toán mô phỏng và dự báo lan truyền ô nhiễm cần được tiếp tục phát triển và ứng dụng cho các lưu vực sông khác của Việt Nam. Áp dụng bộ phần mềm DHI MIKE 21 tính toán quá trình tương tác động lực và chất lượng nước vùng cửa sông Sài Gòn - Đồng Nai. Việc bộ phần mềm DHI MIKE 21 để tính toán mô phỏng các đặc trưng thủy động lực (mực nước, vận tốc dòng chảy) và chất lượng nước (BOD5, DO) theo không gian, thời gian tại vùng cửa sông Sài Gòn-Đồng Nai; phân tích, đánh giá được sự tương tác giữa các đặc trưng thủy lực và sự lan truyền, pha loãng các chất ô nhiễm BOD5, DO theo không gian và thời gian tại vùng cửa sông Sài Gòn - Đồng Nai; chỉ ra được chế độ triều bán nhật đóng vai trò quan trọng trong quá trình của các chỉ tiêu chất lượng nước (lan truyền, pha loãng); vai trò của sự nhập lưu các nhánh sông 8
trong việc hình thành đặc điểm thủy động lực và chất lượng nước trên vùng cửa sông Sài Gòn - Đồng Nai; xác định giá trị định lượng và định tính của sự chênh lệch của mực nước, vận tốc dòng chảy, các chỉ tiêu chất lượng nước BOD5 và DO trên hai bờ các mặt cắt ngang trên vùng nghiên cứu (Bảo Thạnh, 2011) (Nguyễn Đức Nghĩa và ctv, 2009) nghiên cứu áp dụng mô hình hai chiều Mike ECOLad tính toán chất lượng nước trên sông Hậu (Đoạn từ Long Xuyên đến TP.Cần Thơ). Qua kết quả mô phỏng, tính toán của các mô hình thủy lực, chất lượng nước 2 chiều (MIKE 21 HD và ECOLab) cho thấy mô hình MIKE 21 đã được áp dụng tính toán cho một vùng nghiên cứu khá chi tiết, với kết quả đạt độ tin cậy cao. Nghiên cứu khả năng chịu tải chất ô nhiễm hữu cơ trong môi trường nước sông Cu Đê, tác giả đã tổng quan được tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về khả năng tự làm sạch, khả năng chịu tải ô nhiễm chất hữu cơ trong môi trường nước cũng như các điều kiện tự nhiên - kinh tế - xã hội khu vực sông Cu Đê. Ngoài ra, tác giả cũng đã tổng quan được các phương pháp đánh giá khả năng tự làm sạch và khả năng chịu tải (Phùng Chí Sỹ, 2012) (Nguyễn Kỳ Phùng, 2009) thực hiện nghiên cứu xác định tổng tải lượng tối đa ngày phục vụ xây dựng hạn mức xả thải trên sông Sài Gòn - đoạn từ Thủ Dầu Một đến Nhà Bè. Kết quả đã đánh giá môi trường nước mặt sông Sài Gòn, đoạn chạy từ Thủ Dầu Một đến Nhà Bè. Tác giả đã kết hợp 2 mô hình toán MIKE 11 và mô hình SHADM. Tác giả đã xây dựng mô hình và dự báo tổng tải lượng các chất ô nhiễm và chất lượng nước của lưu vực sông Sài Gòn và có ý nghĩa rất quan trọng làm cơ sở khoa học cho việc tính toán khả năng tiếp nhận nước thải cho các lưu vực sông khác trên cả nước. (Nguyễn Minh Lâm, 2012) đã thực hiện nghiên cứu đánh giá khả năng chịu tải và đề xuất các giải pháp bảo vệ chất lượng nước sông Vàm Cỏ đông tỉnh Long An. Việc tính toán khả năng chịu tải nguồn nước sông, đây là cách tiếp cận đúng đắn và có cơ sở khoa học cao để đưa ra các giải pháp quản lý các nguồn thải, mô hình tổ chức, các cơ chế chính sách và các công cụ hỗ trợ rất thiết thực và phù hợp với tình hình thực tế ở địa phương để bảo vệ được chất lượng nước sông Vàm Cỏ Đông, cung cấp một bức tranh toàn diện về nguồn thải, dự báo tải lượng, sức chịu tải để cung cấp các căn cứ khoa học cho các đề xuất nhằm sử dụng bền vững nguồn nước mặt sông Vàm Cỏ Đông. 2.6 Lựa chọn mô hình đánh giá thích hợp với khu vực nghiên cứu Mô hình MIKE là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) xây dựng và phát triển trong khoảng 20 năm trở lại đây, được ứng 9
dụng để mô phỏng chế độ thủy lực, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông, trong sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác. MIKE 3 bao gồm nhiều mô đun có các khả năng và nhiệm vụ khác nhau như: mô đun mưa dòng chảy (RR), mô đun thuỷ động lực (HD), mô đun tải - khuếch tán (AD), mô đun sinh thái (Ecolab) và một số mô đun khác. Trong đó, mô đun thuỷ lực (HD) được coi là phần trung tâm của mô hình, tuy nhiên tuỳ theo mục đích tính toán mà chúng ta kết hợp sử dụng với các mô đun khác một cách hợp lý và khoa học. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng các mô đun HD, AD và Ecolab (Tô Văn Trường, 2012). Như vậy, qua phân tích tổng quan trên đây cho thấy, cho dù đã có rất nhiều các nghiên cứu, ứng dụng các mô hình một chiều, hai chiều được phát triển và mô phỏng các quá trình dòng chảy, xâm nhập mặn, và chất lượng nước ở sông Hậu đáng kể đến như mô hình một chiều, hai chiều sai phân hữu hạn mô phỏng đặc tính thủy lực, chất lượng nước, xâm nhập mặn và tính toán bồi xói,...nhưng hiện vẫn chưa có mô hình thủy động lực ba chiều thể hiện được tính phức tạp của dòng chảy xung quanh khu vực nghiên cứu và tính ứng dụng đối với việc nghiên cứu đặc tính thủy lực và chất lượng nước sông phù sa chịu sự chi phối của thủy triều. Để đáp ứng được nhu cầu thực tế đặt ra, nghiên cứu này đã thiết lập và xây dựng mô hình toán ba chiều xác định đặc tính thủy lực, mô phỏng sự thay đổi hình thái - địa mạo đoạn sông cũng như ứng dụng mô hình toán ba chiều mô phỏng diễn biến chất lượng nước lưu vực sông Hậu theo xu thế phát triển kinh tế - xã hội - kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng là rất cần thiết. 10
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Phương pháp tính toán khả năng chịu tải Căn cứ Thông tư số 02/2009/TT-BTNMT ngày 19 tháng 3 năm 2009 của Bộ tài nguyên và môi trường Quy định đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước. Khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước đối với chất ô nhiễm được tính theo phương trình sau: Khả năng tiếp Tải lượng ô Tải lượng ô nhiễm nhận của nguồn nhiễm tối đa sẵn có trong nguồn ≈ - nước đối với chất ô của chất ô nước của chất ô nhiễm nhiễm nhiễm 3.1.1 Tính toán tải lượng ô nhiễm tối đa của chất ô nhiễm Tải lượng tối đa chất ô nhiễm mà nguồn nước có thể tiếp nhận đối với một chất ô nhiễm cụ thể được tính theo công thức : Ltđ = (Qs + Qt) * Ctc * 86,4 (kg/ngày) Trong đó: Ltđ (kg/ngày) là tải lượng ô nhiễm tối đa của nguồn nước đối với chất ô nhiễm; Qs (m3/s) là lưu lượng dòng chảy tức thời nhỏ nhất ở đoạn sông cần đánh giá trước khi tiếp nhận nước thải, (m3/s); Qt (m3/s) là lưu lượng nước thải lớn nhất và Ctc (mg/l) là giá trị giới hạn nồng độ chất ô nhiễm đang xem xét được quy định tại quy chuẩn, tiêu chuẩn chất lượng nước để bảo đảm mục đích sử dụng của nguồn nước; và 86,4 là hệ số chuyển đổi đơn vị thứ nguyên từ (m3/s)*(mg/l) sang (kg/ngày). 3.1.2 Tính toán tải lượng ô nhiễm có sẵn trong nguồn nước tiếp nhận Tải lượng ô nhiễm có sẵn trong nguồn nước tiếp nhận đối với một chất ô nhiễm cụ thể được tính theo công thức: Ln = Qs * Cs * 86,4 (kg/ngày) Trong đó: Ln (kg/ngày) là tải lượng ô nhiễm có sẵn trong nguồn nước tiếp nhận; Qs (m3/s) là lưu lượng dòng chảy tức thời nhỏ nhất ở đoạn sông cần đánh giá trước khi tiếp nhận nước thải; Cs (mg/l) là giá trị nồng độ cực đại của chất ô nhiễm trong nguồn nước trước khi tiếp nhận nước thải và 86,4 là hệ số chuyển đổi đơn vị thứ nguyên từ (m3/s)*(mg/l) sang (kg/ngày). 11
3.1.3 Phương pháp tính toán và dự báo tổng tải lượng nguồn ô nhiễm do các KCN thải ra sông Hậu Tính toán và dự báo tổng tải lượng các nguồn thải phân tán a. Cơ sở tính toán và dự báo tổng tải lượng Để tạo cơ sở cho việc quản lý, kiểm soát ô nhiễm trong tương lai cho nguồn thải công nghiệp trong phạm vi nghiên cứu, tác giả đưa ra các kịch bản nghiên cứu, tính toán ô nhiễm trên lưu vực sông Hậu đến năm 2030 đối với 5 thông số chất lượng nước: TSS, BOD5, COD, N tổng, P tổng. Các kịch bản dựa trên cơ sở những điều kiện thực tế của hiện trạng (như hiện trạng ô nhiễm nguồn nước, hiện trạng xả thải và xử lý các nguồn nước thải công nghiệp và sinh hoạt trên lưu vực) và định hướng quy hoạch phát triển KTXH đến năm 2030 khu vực nghiên cứu. b. Phương pháp tính toán * Hiện tại Tải lượng hiện tại (Lhiện tại) = Lưu lượng thải hiện tại (Qhiện tại) x Nồng độ thải hiện tại (Chiện tại) 3.1.4 Tính toán khả năng tiếp nhận nước thải Khả năng tiếp nhận tải lượng ô nhiễm của nguồn nước đối với một chất ô nhiễm cụ thể từ một điểm xả thải đơn lẻ được tính theo công thức: Ltn = (Ltđ - Ln - Lt) * Fs Trong đó: Ltn (kg/ngày) là khả năng tiếp nhận tải lượng chất ô nhiễm của nguồn nước; Ltđ, Ln, Lt được xác định ở phần trên và Fs là hệ số an toàn. Nếu giá trị Ltn lớn hơn (>) 0 thì nguồn nước vẫn còn khả năng tiếp nhận đối với chất ô nhiễm. Ngược lại, nếu giá trị Ltn nhỏ hơn hoặc bằng (≤) 0 có nghĩa là nguồn nước không còn khả năng tiếp nhận đối với chất ô nhiễm. 3.2 Phương pháp thống kê và phương pháp tiếp cận dựa trên nguyên tắc quản lý tích hợp lưu vực sông Phương pháp này được thực hiện trên cơ sở kế thừa, phân tích và tổng hợp các nguồn tài liệu, tư liệu, số liệu thông tin có liên quan một cách có chọn lọc, từ đó đánh giá chúng theo yêu cầu và mục đích nghiên cứu, thu thập các thông tin về: điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội có liên quan; các kết quả nghiên cứu của các chương trình, đề tài khoa học, các dự án có liên quan đến nội dung nghiên cứu; các 12
bản đồ lưu vực sông, các kết quả nghiên cứu của các chương trình, dự án đã được thực hiện có liên quan và kết hợp với thống kê, thu thập các số liệu đo đạc, khảo sát ngoài thực địa để biểu diễn trên bản đồ sau cùng tác giả sẽ phân tích, đánh giá tài liệu. 3.3 Phương pháp đo đạc đặc tính thủy lực và địa mạo của Sông Hậu 3.3.1 Đo vẽ bình đồ và bình đồ lòng sông Bố trí dọc tuyến sông khu vực đo vẽ, mốc được đặt ở nơi vững chắc thuận tiện cho việc sử dụng và dẫn chuyền cao độ đo vẽ tổng số mốc được chọn để xây dựng là 12 mốc. Để có cao độ đo vẽ bình đồ khu vực, tiến hành đo dẫn thủy chuẩn từ các mốc quốc gia về các mốc gửi trong khu vực khảo sát bằng phương pháp đo đi, đo về với đường chuyền khép kín giữa các mốc cao độ hạng II và hạng III. Bình đồ địa hình lòng sông tỷ lệ 1/10.000 đo theo phương pháp đo sâu hồi âm, sử dụng máy đo sâu hồi âm ODOM ECHOTRACT MKIII kết hợp với hệ thống định vị toàn cầu GPS có sự hiệu chỉnh tọa độ thông qua hệ thống mốc khống chế và mốc quốc gia, gắn cao trình thông qua các vị trí quan trắc mực nước trên từng khu vực đo vẽ. 3.3.2 Phương án đo đạc Mực nước: Đọc trực tiếp số đọc trên thủy chí theo chế độ 24/24 giờ trong ngày đêm, liên tục trong thời kỳ đo đạc. Lưu tốc dòng chảy: Dùng máy cốc quay chuyên dụng một giờ đo một lần (24 lần/ngày) trên thủy trực đã định trước thả máy đo độ sâu thủy trực và xác định độ sâu các điểm đo, đo tốc độ dòng chảy từng điểm đo (6 điểm đo trên thủy trực), xác định hướng dòng chảy và mực nước tương ứng với lần đo. 3.3.3 Phương pháp xử lý số liệu Phần mềm Excel được sử dụng để tính chiều dài, độ sâu, diện tích mặt cắt ướt và vận tốc dòng chảy cho từng mặt cắt của đoạn sông nghiên cứu; Sử dụng công cụ “đường cong phù hợp” (curve fitting tool) trong phần mềm Matlab để thiết lập hàm số y=axb. Từ đó, tính toán các hệ số a, b, c, f, k, m trong công thức W = aQb, D = cQf và V = kQm để tìm ra mối liên hệ hình học thủy lực giữa chiều rộng mặt nước, độ sâu thủy lực, vận tốc dòng chảy với lưu lượng dòng chảy. 13
3.4 Phương pháp phân tích Xử lý tổng hợp các số liệu thực đo thủy văn, thủy lực, địa hình, bản đồ lịch sử, phân tích diễn biến, hình thái đoạn sông. Phương pháp mô tả; phương pháp biểu đồ, đồ thị với nghĩa rộng bao gồm cả việc sử dụng bản đồ tổng hợp, bản đồ địa mạo, hình vẽ, sơ đồ khối và phương pháp ảnh bao gồm ảnh phối cảnh thông dụng, ảnh chụp từ máy bay, ảnh chụp từ vệ tinh. 3.5 Phương pháp mô hình toán Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng mô hình toán thủy lực - chất lượng nước ba chiều - MIKE 3 để mô phỏng động thái thủy lực dòng chảy và hình thái và địa mạo đáy sông về chế độ thủy lực (mực nước, lưu lượng dòng chảy) diễn biến chất lượng nước làm cơ sở khoa học cho việc xem xét đánh giá chất lượng nước theo thời gian trong điều kiện biên hiện tại và dự báo lan truyền chất hòa tan ô nhiễm lưu vực sông Hậu theo xu thế phát triển kinh tế - xã hội kết hợp với các kịch bản có sự thay đổi của dòng chảy từ thượng nguồn và nước biển dâng ở hạ lưu theo kịch bản biến đổi khí hậu của Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2016. 14
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4. Tính toán khả năng tiếp nhận nước thải từ các KCN 4.1. Khả năng tiếp nhận tải lượng ô nhiễm của sông Hậu từ KCN Thốt Nốt Từ các kết quả tính toán ở trên, kết hợp với hệ số an toàn Fs là 0,5 (0,3 < Fs
sông Hậu chỉ có khả năng tiếp nhận đối với các thông số BOD, COD, TN và không còn khả năng tiếp nhận đối với thông số TSS và TP từ nước thải của KCN Thốt Nốt. 4.2. Khả năng tiếp nhận nước thải từ KCN Trà Nóc 1 và 2 Bảng 4.4 Khả năng tiếp nhận tải lượng ô nhiễm của sông Hậu từ KCN Trà Nóc 1 và 2 - Hiện tại (Kg/ngày) Thông số TSS BOD COD TN TP Ltđ 30.430 6.086 15.215 5.072 203 Ln 61.137 3.007 8.018 290 250 Lt Hiện tại 1.200 600 1.800 480 72 Ltn = (Ltđ - Ln – Lt)*Fs -15.954 1.240 2.699 2.151 -60 Bảng 4.5 Khả năng tiếp nhận tải lượng ô nhiễm của sông Hậu từ KCN Trà Nóc 1 và 2 - Kịch bản 1, 2 và 3 (Kg/ngày) Thông số TSS BOD COD TN TP Ltđ 30.430 6.086 15.215 5.072 203 Ln 61.137 3.007 8.018 290 250 Lt 600 360 900 240 48 Ltn = (Ltđ - Ln – Lt)*Fs -15.654 1.360 3.149 2.271 -48 Dựa theo kết quả tính toán tại Bảng 4.4 và 4.5 cho thấy trong 5 thông số được chọn đánh giá thì TSS và TP đều giá trị Ltn âm, điều này chứng tỏ rằng sông Hậu chỉ có khả năng tiếp nhận đối với các thông số BOD, COD, TN và không còn khả năng tiếp nhận đối với thông số TSS và TP từ nước thải của KCN Trà Nóc 1 và 2. 4.3 Khả năng tiếp nhận nước thải của sông Hậu từ các khu công nghiệp Từ các kết quả tính toán ở trên, kết hợp với hệ số an toàn Fs là 0,5 (0,3 < Fs
Ln 61.137 3.007 8.018 290 250 Lt Hiện tại 41.913 40.625 52.378 2.821 705 Ltn = (Ltđ - Ln – Lt)*Fs -35.507 -18.612 -2.2189 1.114 -371 Dựa theo kết quả tính toán tại Bảng 4.6 cho thấy trong 5 thông số được chọn đánh giá thì chỉ có TN có giá trị >0, điều này chứng tỏ rằng sông Hậu chỉ có khả năng tiếp nhận đối với các thông số TN từ nước thải của các KCN. Bảng 4.7 Khả năng tiếp nhận tải lượng ô nhiễm của sông Hậu -Kịch bản 1 (Kg/ngày) Thông số TSS BOD COD TN TP Ltđ 37.843 7.569 18.922 6.307 252 Ln 61.137 3.007 8.018 290 250 Lt 60.561 50.019 77.172 10.341 1.835 Ltn = (Ltđ - Ln – Lt)*Fs -41.928 -22.729 -33.134 -2.162 -917 Dựa theo kết quả tính toán tại Bảng 4.7 cho thấy với dự báo tải lượng chất thải theo kịch bản 1 thì sông Hậu không còn khả năng tiếp nhận nước thải của KCN đối với các thông số TSS, BOD, COD, TN, TP. Bảng 4.8 Khả năng tiếp nhận tải lượng ô nhiễm của sông Hậu -Kịch bản 2 (Kg/ngày) Thông số TSS BOD COD TN TP Ltđ 37.843 7.569 18.922 6.307 252 Ln 61.137 3.007 8.018 290 250 Lt 24.836 12.533 33.109 9.826 1.510 Ltn = (Ltđ - Ln – Lt)*Fs -24.065 -3.986 -11.102 -1.904 -754 Cũng như khả năng tiếp nhận chất thải theo kịch bản 1 ở trên, theo dự báo của kịch bản 2 thì bảng 4.8 cũng cho thấy sông Hậu không còn khả năng tiếp nhận nước thải của KCN đối với các thông số TSS, BOD, COD, TN, TP. Bảng 4.1 Khả năng tiếp nhận tải lượng ô nhiễm của sông Hậu -Kịch bản 3 (Kg/ngày) Thông số TSS BOD COD TN TP 17