37 TẠP CHÍ KHOA HỌC, ðại học Huế, Số 65, 2011 ÁP DỤNG MÔ HÌNH QUAL2K ðÁNH GIÁ DIỄN BIẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC DÒNG CHÍNH SÔNG HƯƠNG Nguyễn Bắc Giang Trường ðại học Khoa học, ðại học Huế TÓM TẮT Bài báo giới thiệu mô hình một chiều (Qual2K) tính toán lan truyền chất trong sông và ứng dụng ñể nghiên cứu mô phỏng diễn biến chất lượng nước (CLN) cho Sông Hương. Bài báo cũng trình bày các bước cơ bản ứng dụng mô hình cho một ñối tượng cụ thể. Ngoài ra, ñã tiến hành kiểm ñịnh mô hình với giá trị sai số nhỏ hơn 30%. Từ kết quả này ñã tiến hành dự báo sự thay ñổi chất lượng nước theo thời gian vào năm 2010 và 2020. Từ khóa: Qual2K, sông Hương. 1. Mở ñầu Gần ñây việc ứng dụng mô hình ñể mô phỏng chất lượng nước (CLN) ñã trở nên phổ biến ở nhiều quốc gia trên thế giới. Các mô hình CLN ñược xem là một trong những công cụ hỗ trợ ñắc lực cho công tác quản lý CLN, giúp ñánh giá và dự báo về sự biến ñổi CLN trong tương lai. Trong số các mô hình CLN ñang ñược áp dụng, Qual2K là mô hình CLN sông tổng hợp, ñơn giản và miễn phí ñược áp dụng phổ biến nhiều nơi trên thế giới. Mô hình Qual2K ñã ñược áp dụng trong mô phỏng DO của sông Blackstone (Mỹ); ñánh giá CLN chảy qua ñập Gavins Point trên sông Missouri (Mỹ); tính toán tác ñộng của nước thải công nghiệp và ñô thị ñến DO sông Sava (Slovenia); ñánh giá CLN sông Sungai Selangor (Malaysia)[6]. Hiện nay, các số liệu quan trắc CLN sông Hương khá ñồng bộ và ñầy ñủ, tuy nhiên việc tổng hợp các số liệu này và sử dụng các mô hình ñể mô phỏng và dự báo xu thế biến ñổi CLN phục vụ cho mục ñích quản lý CLN sông Hương vẫn chưa ñược quan tâm nhiều. Vì vậy, nghiên cứu áp dụng mô hình Qual2K cho sông Hương sẽ góp phần bổ sung tính ña dạng các công cụ phục vụ công tác quản lý CLN của ñịa phương. 2. Tổng quan về mô hình Qual2K 2.1. Giới thiệu mô hình Qual2K Mô hình Qual2K (Q2K) do Brown và Barnwell xây dựng vào năm 1987 dựa trên mô hình gốc là QUAL2E (Q2E). Phiên bản mới nhất của Qual2K (tháng 3/2006) là phần mềm Q2K Fortran 2.04 ñược phát triển bởi Steve Chapra và Greg Pelletier ở ðại 38 học Tuft và Trung tâm Mô hình CLN của Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ. Mô hình này chạy trên nền MS Excel với giao diện ñơn giản, dễ sử dụng, tốc ñộ tính toán khá nhanh. Qual2K mô phỏng ñược 15 thông số bao gồm: ñộ dẫn ñiện, chất rắn vô cơ lơ lửng, oxy hòa tan (DO), CBOD phân hủy chậm, CBOD phân hủy nhanh (BOD 5 ), nitơ hữu cơ, nitơ amoni (NH 4 -N), nitơ nitrat (NO 3 -N), phospho hữu cơ, phospho vô cơ, 2.2. Cơ sở lý thuyết của mô hình Qual2K Với mỗi thành phần liên quan tới CLN, phương trình lan truyền chất có dạng như sau: S dt dC dxAdx x CUA dx x x C DA t M x x x +×+ ∂ ××∂ − ∂ ∂ ∂ ×∂ = ∂ ∂ ).(. )( )( 1 (1.1) (I) (II) (III) (IV) (V) Trong ñó, M: khối lượng chất t: thời gian x: khoảng cách C: nồng ñộ chất A x : diện tích mặt cắt ngang D 1: hệ số phân tán U: vận tốc trung bình dòng chảy (I): thay ñổi khối lượng theo thời gian (II): sự khuếch tán (III): sự chuyển tải (IV): thành phần (nồng ñộ) thay ñổi theo thời gian (V): các nguồn từ bên ngoài và sự lắng ñọng các chất Hình 1. Phân ñoạn hệ thống sông có nhánh và không có nhánh của Qual2K Bước ñầu tiên của chương trình tính Qual2K là chia hệ thống sông thành các Thượng nguồn Hạ nguồn 1 2 3 4 5 Nguồn thải ñiểm Nguồn thải phân tán Dòng ra Các ñoạn 19 18 17 16 19 18 17 16 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 20 28 27 26 21 29 20 28 27 26 21 29 12 15 14 13 12 15 14 13 8 7 6 8 7 6 9 11 10 9 11 10 24 23 22 25 Ngu ồn nước 2 Ngu ồn nước 3 Ngu ồn nước 4 Dòng chính Nguồn nước 1 39 ñoạn sông. Mỗi ñoạn sông lại ñược chia thành 7 phần tử tính toán như: phần tử thượng nguồn; phần tử chuẩn; phần tử cận nối tiếp; phần tử nối tiếp; phần tử cuối cùng; phần tử nước ñi vào; phần tử nước ñi ra,… Trong mỗi ñoạn sông sẽ chứa ñựng các dữ liệu liên quan ñến mô hình như: thủy lực, hằng số tốc ñộ phản ứng,… Các công thức, phương trình, mô hình cơ bản ñược sử dụng ñể tính toán trong mô hình Qual2K như: phương trình cân bằng lưu lượng; phương trình Manning; thời gian di chuyển; mô hình nhiệt ñộ; mô hình thành phần (Thực vật phù du; CBOD dễ phân hủy – BOD 5 ; Các hợp chất nitơ; Các hợp chất photpho; ôxy hòa tan). Sau khi nhập các số liệu ở các Worksheet, bao gồm dữ liệu ñầu vào (CLN, lưu lượng nước, hệ số nhám, nhiệt ñộ, các nguồn thải, thủy lực, ), Qual2K sẽ tính toán trên nền của MS Excel và cho kết quả tính toán, mô phỏng ở các Worksheet dưới dạng biểu ñồ hoặc dữ liệu. 2.3. Phạm vi ứng dụng của mô hình Qual2K Qual2K là mô hình một chiều với ñiều kiện dòng chảy ñều và tải lượng nguồn thải ñều. Kết quả tính toán các thông số CLN trong mô hình ñược thể hiện dưới dạng ñồ thị theo dọc chiều dài dòng chảy. Mô hình Qual2K có một số hạn chế như chỉ mô phỏng một chiều và chỉ áp dụng ñược cho sông không quá rộng, không tính toán ñược ảnh hưởng của thủy triều [7]. 3. ðối tượng và phương pháp nghiên cứu 3.1. ðối tượng nghiên cứu Mô phỏng và dự báo diễn biến CLN ñược nghiên cứu với ñối tượng là dòng chính sông Hương. ðây là nguồn cung cấp nước mặt quan trọng cho mọi hoạt ñộng của thành phố Huế, ñồng thời cũng là nơi tiếp nhận hầu hết các chất thải chưa qua xử lý của ñô thị Huế. Hình 2 giới thiệu ñoạn sông nghiên cứu, từ ngã ba Tuần về ñến ngã ba Sình, có chiều dài 28 km. Tuy nhiên, các kết quả mô phỏng chưa tính ñến sự ñóng góp các chất hữu cơ và dinh dưỡng của các hồ chứa lớn và nhỏ ở thượng nguồn sông Hương. (1) (2) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (3) (12) (13) (14) (15) (16) (17) Hình 2. ðoạn sông Hương nghiên cứ u 40 3.2. Phương pháp nghiên cứu 3.2.1. Phân ñoạn dòng chảy Dựa vào các ñiều kiện về ñịa hình, chế ñộ dòng chảy và các nguồn xả thải vào sông Hương mà ñoạn sông nghiên cứu ñược phân chia thành 17 phân ñoạn tương ứng (xem hình 2 và bảng 1). Bảng 1. Phân ñoạn dòng chảy theo mô hình Qual2K Vị trí Khoảng cách (km) Số phân ñoạn Ký hiệu ñiểm quan trắc(*) Ngã Ba Tuần 0 (1) MC 1,64 (2) 2,59 (3) 3,55 (4) 5,24 (5) 6,53 (6) Xước Dũ 8,02 (7) MD 9,18 (8) 10,70 (9) 12,13 (10) ðông Ba 15,10 (11) ME 17,00 (12) ðập La Ỷ 20,26 (13) MG 22,12 (14) 24,76 (15) 26,29 (16) Ngã Ba Sình 28,58 (17) MI Ghi chú :(*) các ñiểm quan trắc CLN sông Hương thực tế. 3.2.2. Kiểm ñịnh và hiệu chỉnh mô hình Các nhóm số liệu ñầu vào dùng ñể hiệu chỉnh, kiểm nghiệm mô hình bao gồm: - Lưu lượng dòng chảy: sử dụng lưu lượng nước tự nhiên của sông Hương (chưa có sự ñiều tiết của 2 hồ chứa). 41 - Các thông số thủy lực: vận tốc dòng chảy, diện tích mặt cắt ngang, ñộ dốc, ñộ sâu dòng chảy, - Các hệ số tốc ñộ thông khí, hằng số tốc ñộ phân hủy các chất hữu cơ; tốc ñộ chuyển hóa nitơ và photpho, - Các thông số CLN các tháng mùa khô (tháng 5), mùa mưa (tháng 11) của năm 2003 và năm 2007. - Các thông số về nguồn thải: nồng ñộ, tải lượng và tính toán lưu lượng của các nguồn thải sinh hoạt, ñô thị và công nghiệp, 3.2.3.Mô phỏng chất lượng nước vào các năm 2010 và 2020 Các trường hợp mô phỏng: - Năm 2010: chỉ có hồ Bình ðiền tham gia ñiều tiết dòng chảy. - Năm 2020: cả hai hồ chứa Bình ðiền và hồ Tả Trạch cùng ñiều tiết dòng chảy. Các số liệu ñầu vào: - Số liệu thủy văn: ñến năm 2010 có tính ñến sự ñiều tiết cùa hồ Bình ðiền và năm 2020 có sự ñiều tiết của hồ Tả Trạch. - Số liệu CLN: sử dụng kết quả quan trắc CLN từ năm 2003 ∼ 2007 [5, 6]. - Số liệu các nguồn thải: sử dụng các số liệu thống kê các nguồn thải ñiểm và không ñiểm ñồng thời có tính ñến lượng nước thải phát sinh vào các thời ñiểm tương ứng trong tương lai [2, 3, 4]. - Sử dụng lại các hệ số thủy lực, các hằng số tốc ñộ phân hủy, hằng số tốc ñộ thông số, các hệ số chuyển hóa,… như ở phần kiểm ñịnh mô hình [8]. 3.2.4. Các phương pháp khác Các số liệu về CLN, thủy văn,…ñược xử lý bằng phương pháp thống kê. Việc ước tính tải lượng các nguồn thải ñược thực hiện thông qua phương pháp ñánh giá nhanh nguồn thải [1]. Sử dụng phương pháp chuyên gia ñể lấy ý kiến về các vấn ñề liên quan ñến ñánh giá CLN, mô hình CLN, 4. Kết quả nghiên cứu 4.1. Kết quả kiểm ñịnh và hiệu chỉnh mô hình Kết quả chạy mô hình các thông số CLN cho các tháng mùa khô và mùa mưa năm 2003 và năm 2007 ñược trình bày lần lượt ở các hình 3, 4, 5 và 6. 42 0 1 2 3 4 5 6 7 0 10 20 30 40 Khoang cach (M g /L ) BOD (Mô phỏng) DO (Mô phỏng) DO(Thực ño) BOD (Thực ño) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 Khoang cach NH4 (Mô phỏng) NO3 (Mô phỏng) PO4 (Mô phỏng) NH4 (Thực ño) NO3 (Thực ño) PO4 (Thực ño) ( µ µ µ µ g/L) Hình 3. Phân bố nồng ñộ DO, BOD, NH 4 -N, NO 3 -N và PO 4 -P giữa giá trị thực ño và mô phỏng cho mùa khô năm 2003 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 5 10 15 20 25 30 35 Khoang cach (Mg/L) DO (Mô phỏng) BOD (Mô phỏng) DO (Thực ño) BOD (Thực ño) 0 20 40 60 80 100 120 140 0 10 20 30 40 Khoang cach ( µ µ µ µ g/L) NH4 (Mô phỏng) NO3 (Mô phỏng) PO4 (Mô phỏng) NH4 (Thực ño) NO3 (Thực ño) PO4 (Thực ño) Hình 4. Phân bố nồng ñộ DO, BOD, NH 4 -N, NO 3 -N và PO 4 -P giữa giá trị thực ño và mô phỏng cho mùa mưa năm 2003 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 5 10 15 20 25 30 35 Khoang cach (Mg/L) DO (Mô phỏng) BOD (Mô phỏng) DO (Thực ño) BOD (Thực ño) 0 50 100 150 200 250 0 10 20 30 40 Khoang cach ( µ µ µ µ g/L ) NH4 (Mô phỏng) NO3 (Mô phỏng) PO4 (Mô phỏng) NH4 (Thực ño) NO3 (Thực ño) PO4 (Thực ño) Hình 5. Phân bố nồng ñộ DO, BOD, NH 4 -N, NO 3 -N và PO 4 -P giữa giá trị thực ño và mô phỏng cho mùa khô năm 2007 Kho ảng cách Kho ảng cách Kho ảng cách Kho ảng cách Kho ảng cách Kho ảng cách 43 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 10 20 30 40 Khoang cach (Mg/L) DO (Mô phỏng) BOD (Mô phỏng) DO (Thực ño) BOD (Thực ño) 0 50 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 Khoang cach ( µ µ µ µ g/L) NH4 (Mô phỏng) NO3 (Mô phỏng) PO4 (Mô phỏng) NH4 (Thực ño) NO3 (Thực ño) PO4 (Thực ño) Hình 6. Phân bố nồng ñộ DO, BOD, NH 4 -N, NO 3 -N và PO 4 -P giữa giá trị thực ño và mô phỏng cho mùa mưa năm 2007 Sau khi áp dụng phương pháp thử sai, sai số giữa giá trị thực ño và kết quả mô phỏng là ± 30%, ñây là mức sai số có thể chấp nhận ñược. ðiều này cho thấy, các hệ số và thông số ñầu vào mô hình phù hợp với ñiều kiện thực tế của dòng chảy sông Hương. Ngoài ra, các kết quả tính toán cho thấy, tất cả các ñường phân bố các thông số: BOD, DO, NO 3 -N, NH 4 -N, PO 4 -P theo khoảng cách ñều phản ánh ñúng giữa kết quả thực ño và kết quả tính toán. 4.2. Kết quả mô phỏng chất lượng nước vào các năm 2010 và 2020 4.2.1.Các kết quả ñầu ra của mô hình Các thông số chất lượng nước bao gồm DO, BOD, NH 4 -N, NO 3 -N và PO 4 -P ñã ñược mô phỏng cho mùa khô và mùa mưa vào các năm 2010 ñến 2020 lần lượt ở các hình từ 7 ñến 14. (a) Kho ảng cách Khoảng cách 44 (b) Hình 7 (a, b). Kết quả mô phỏng DO và BOD vào mùa khô năm 2010 (a) (b) (c) Hình 8 (a, b, c). Kết quả mô phỏng NH 4 -N, NO 3 -N và PO 4 -P mùa khô năm 2010 45 (a) (b) Hình 9 (a, b). Kết quả mô phỏng DO và BOD mùa mưa năm 2010 (a) (b) 46 (c) Hình 10 (a, b, c). Kết quả mô phỏng NH 4 -N, NO 3 -N và PO 4 -P mùa mưa năm 2010 (a) (b) Hình 11 (a, b). Kết quả mô phỏng DO và BOD mùa khô năm 2020 [...]... B , Trư ng ð i h c Khoa h c, ð i h c Hu , 2003 [5] C c B o v Môi trư ng, Báo cáo toàn văn: K t qu quan tr c và phân tích ch t lư ng môi trư ng nư c sông Hương thành ph Hu , 2003 [6] C c B o v Môi trư ng, Báo cáo toàn văn: K t qu quan tr c và phân tích ch t lư ng môi trư ng nư c sông Hương thành ph Hu , 2007 [7] Chapra S and Pelletier G., QUAL2K - A Modeling Framework for Simulating River and Stream... hai b sông Hương ño n qua trung tâm thành ph Hu , Hu , 2007 [3] Trung tâm tư v n và phát tri n Khoa h c & Công ngh Th a Thiên Hu , Báo cáo k t qu quan tr c môi trư ng t nh Th a Thiên Hu quý 4/2007, Hu , 2007 [4] Hoàng Thái Long, ði u tra ñánh giá tác ñ ng c a các ngu n nư c th i ñ n môi trư ng và xây d ng cơ s d li u các ngu n th i ñô th Hu , ð tài nghiên c u khoa h c c p B , Trư ng ð i h c Khoa h... các thông s CLN d c theo ño n sông ñang xét bi n ñ ng khá l n nh t là ño n ch y ngang qua thành ph Hu , c th là ño n t Xư c Dũ ñ n ðông Ba Cũng qua k t qu tính toán c a mô hình cho th y n ng ñ t t c các thông s CLN ñ u có xu hư ng tăng theo th i gian (ngo i tr DO) ði u này ch ng t CLN sông Hương ñang di n bi n theo chi u hư ng x u ñi 5 K t lu n ðã áp d ng mô hình Qual2K ñ mô ph ng CLN cho ño n Ngã Ba... Ngã Ba Sình vào các th i ñi m năm 2003 và năm 2007 Ki m ñ nh mô hình cho th y các k t qu mô ph ng ñ u n m trong sai s cho phép ± 30% Các k t qu ch y mô hình d báo di n bi n CLN vào năm 2010 và 2020, cho th y: + Vào năm 2010, giá tr DO và BOD vư t quy chu n cho phép 1,5 l n; NH4-N, NO3-N và PO4-P vư t quy chu n cho phép 0,5 l n + Vào năm 2020, giá tr DO và BOD vư t quy chu n cho phép 3 l n ñ i v i khu...(a) (b) (c) Hình 12 (a, b, c) K t qu mô ph ng NH4-N, NO3-N và PO4-P mùa khô năm 2020 (a) 47 (b) Hình 13 (a, b) K t qu mô ph ng DO và BOD mùa mưa năm 2020 (a) (b) (c) Hình 14 (a, b, c) K t qu mô ph ng NH4-N, NO3-N và PO4-P mùa mưa năm 2020 48 So sánh các k t qu mô ph ng CLN vào năm 2010 và 2020 v i Quy chu n k thu t qu c gia v ch t lư ng... các ch t trong dòng ch y sông Hương TÀI LI U THAM KH O [1] Economopoulos, A.P Assessment of Sources of Air, Water, and Land pollution, A guide to Rapid Source Inventory Techniques and their use in Formulating Environmental Control Strategies, Part 1: Rapid Inventory Techniques in Environmental Pollution, WHO, 1993 [2] Ban Qu n lý D án Sông Hương, Báo cáo k t qu ñ tài - Kh o sát tình hình hi n tr ng... quy chu n cho phép 1 l n 50 T các k t qu mô ph ng qua các năm 2003, 2007, 2010, 2020, cho phép nh n ñ nh như sau: + CLN sông Hương có xu hư ng gi m d n theo th i gian, c th là n ng ñ các thông s BOD, NH4-N, NO3-N và PO4-P tăng d n (ngo i tr DO gi m) + CLN sông Hương gi m khi ch y ngang khu v c thành ph Hu (nh t là ño n t Kim Long ñ n ðông Ba) K t qu ch y mô hình v s phân b n ng ñ các ch t h u cơ và... chu n lo i Nhìn chung, CLN sông Hương vào các th i ñi m 2010 và 2020 s b suy gi m theo th i gian Qua k t qu mô ph ng CLN cho các năm 2010 và 2020 cho th y t t c các ñư ng phân b các ch t ô nhi m ñ u phù h p v i th c t Ch ng t các h s ñã ñư c tính toán xác ñ nh phù h p v i ñi u ki n c a sông Hương và có th s d ng các h s này ñ d báo di n bi n CLN cho các năm sau 4.3 ðánh giá t ng h p di n bi n CLN... Documentation and Users Manual Civil and Environmental Engineering Dept, Tufts University, Medford, 2003 [8] Tr n Văn Quang, Nghiên c u xây d ng mô hình ch t lư ng nư c sông Hương theo ch t h u cơ d phân h y sinh h c, Lu n án Ti n sĩ k thu t, Trư ng ð i h c Xây d ng, Hà N i, 2004 51 APPLYING QUAL2K MODEL TO WATER QUALITY ASSESSMENT OF THE HUONG RIVER’S MAINSTREAM Nguyen Bac Giang College of Sciences, Hue University... Năm 2020 MC (Ngã Ba Tu n) MD ME MF MG BOD (Mg/L) D O (Mg/L) Di n bi n CLN sông Hương sau khi mô ph ng ñư c trình bày l n lư t hình t 15 ñ n 18 MH (Ngã Ba Sình) 200.00 180.00 160.00 140.00 120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 các Năm 2003 Năm 2007 Năm 2010 Năm 2020 MC (Ngã Ba Tu n) MD V trí ME MF MG MH (Ngã Ba Sình) V trí Hình 15 Di n bi n DO và BOD mùa khô qua các năm 140.00 100.00 Năm 2003 80.00 . KHOA HỌC, ðại học Huế, Số 65, 2011 ÁP DỤNG MÔ HÌNH QUAL2K ðÁNH GIÁ DIỄN BIẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC DÒNG CHÍNH SÔNG HƯƠNG Nguyễn Bắc Giang Trường ðại học Khoa học, ðại học Huế TÓM TẮT Bài báo. Bài báo giới thiệu mô hình một chiều (Qual2K) tính toán lan truyền chất trong sông và ứng dụng ñể nghiên cứu mô phỏng diễn biến chất lượng nước (CLN) cho Sông Hương. Bài báo cũng trình bày. tượng và phương pháp nghiên cứu 3.1. ðối tượng nghiên cứu Mô phỏng và dự báo diễn biến CLN ñược nghiên cứu với ñối tượng là dòng chính sông Hương. ðây là nguồn cung cấp nước mặt quan trọng