MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC

1

Chuyên đề: MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC

A. MỤC ĐÍCH
Nhằm trang bị cho học viên các kiến thức cơ bản:
- Lý thuyết cơ sở về các quá trình cơ bản chuyển hoá các chất ô nhiễm trong
nguồn nước, các nguyên lý cơ bản xây dựng mô hình chất lượng nước.
- Các mô hình chất lượng nước và phạm vi ứng dụng trong thực tiễn.
B. YÊU CẦU
Học viên cần có kỹ năng về ngôn ngữ lập trình, toán
ứng dụng và đã học các
môn cơ sở về khoa học môi trường: hoá lý, thuỷ lực, sinh thái môi trường, hoá môi
trường, ô nhiễm môi trường.
C. NỘI DUNG
Chương 1. Chất lượng nước và đánh giá chất lượng nguồn nước
Chương 2. Cơ sở lý thuyết MHCLN
Chương 3. Mô hình lan truyền và chuyển hoá các chất ô nhiễm trong dòng
chảy
Chương 4. Thiết lập mô hình chất lượng nước, các mô hình DO&BOD
Chương 5. Giới thiệu các phần mề
n mô phỏng chất lượng nguồn nước
Mô hình Qual 2E
D. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Jerald L. Schnoor. Environmental Modeling. John Wiley & Sons. Inc, 1996.
[2]. A.James. An Introduction to water quality modeling. John Wiley & Sons. Inc,
1996.
[3]. Mervin D.Palmer. Water quality modeling. A guide to effective practice. WB,
2001.
[4]. Linfield C.Brow and Thomas O.Branwel. The enhanced stream water quality
Qual2E and Qual2E-uncas: Documentation and user manual. EPA, 1987.

[5]. Steve C. Chapra. Sufrace water-quality modeling. Mc Graw - Hill, 1997.


1

Chương 1
Chất lượng nguồn nước & Đánh giá chất lượng
nguồn nước
1.1. Nguồn nuớc và phân loại nguồn nước
1.1.1. Sự hình thành chất lượng và thành phần tính chất
nguồn nước
Các yếu tố và các quá trình hình thành thành phần hoá học
của nước thiên nhiên bao gồm hai nhóm: các yếu tố tác động
trực tiếp và các yếu tố điều khiển các quá trình hình thành chất
lượng nước diễn ra trong dòng chảy
Các yế
u tố tác động trực tiếp
Khoáng vật, thổ nhưỡng, sinh vật và con người. Các yếu
tố này tác động làm cho nồng độ các chất trong nước tăng lên
và giảm đi.
Qúa trình khoáng vật hoá: diễn ra rất phức tạp, phụ thuộc
vào đặc điểm của thành phần khoáng vật: nhan thạch hiếu nước,
kỵ nước và ngậm nước Các loại muối: NaCl, CaCO
3
, CaSO
4
2-

Khoáng vật phong hoá: allluminoSilicat (nhôm silic) chiếm
phần lớn trong lớn vỏ trái đất phong hoá chuyển vào nước.

Khoáng vật sét: thành phần chính của nhan thạch.
Thổ nhưỡng (đất trồng) : khác với thành phần khoáng vật,
thổ nhưỡng ngoài các thành phần vô cơ (90-95%) trong đất trồng
còn có các thành phần hữu cơ và hữu cơ khoáng vật. Thành phần
hữu cơ có nguồn gốc: sản phẩm phân huỷ gốc động vật, thực vật
và sản phẩm của các quá trình sinh hoá trong đất.
Sự xâm nhập vào môi trường nước phụ thuộc vào các yếu
tố khí tượng thuỷ văn, địa hình, lượng mưa và cường độ mưa.
Sinh vật và con người
Các sinh vật có vai trò rất đa dạng và rộng rãi. Thực hiện
các chu trình sinh -địa-hoá: điều chỉnh cân bằng sinh thái, tạo
2

năng suất sinh học sơ cấp (tảo, phù du ) và các chất hữu cơ ban
đầu (vi khuẩn cố định đạm)
Các hoạt động phát triển gây ô nhiễm nguồn nước
Các yếu tố điều khiển
Các yếu tố điều khiển bao gồm : khí hậu, địa hình, chế độ
thuỷ văn, sự phát triển của hệ thực vật thuỷ sinh.
Khí hậu: ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng và nồng độ các
chất, nhiệt độ ảnh hưởng đến các phản ứng hoá học,
sinh học
Địa hình: ảnh hưởng gián tiếp đến các quá trình khoáng hoá, xói
mòn và rửa trôi bề mặt.
Chế độ thuỷ văn: thành phần của nước, nồng độ các chất hoá
học trong nước phụ thuộc vào dòng chảy. Chiều
dài dòng chảy, diện tích lưu vực.
Qúa trình hình thành chất lượng nước
Qúa trình khuếch tán: là quá trình dịch chuyển các chất hoà
tan, phân tán trong nước do ảnh hưởng của gradient nồng độ.

Tuân thủ theo định luật Fick
Qúa trình chuyển khối do khuếch tán đối lưu. Vận chuyển
(tải các chất trong dòng chảy, sự xáo trộn).
Các quá trình vận chuyển các chất vào trong nguồn nước
Thuỷ phân: phản ứng trao đổi giữa nước và các loại khoáng
chất.
Hoà tan:phá huỷ cấu trúc mạng tính thể của các lo
ại muối
và phân ly thành các dạng ion
Các quá trình tách các vật chất khỏi nguồn nước
Bao gồm các qúa trình lắng: do tỷ trọng, nồng độ vượt giới
hạn bảo hoà, qúa trình hấp phụ, quá trình keo tụ, các quá trình
phản ứng giữa các hợp chất và các quá trình sinh thái chất lượng
nước.
3

3. Thành phần và tính chất của nước thiên nhiên
Các ion hoà tan
Nuớc là một dung môi rất tốt để hoà tan hầu hết các loại
khoáng chất vô cơ, các axit, bazơ và các muối vô cơ. Các ion
chủ yếu trong nước là các ion của các loại muối khoáng, Cl
-
,
SO
4
2-
, HCO
3
-
, CO

3
2-
và các ion kim loại Na
+
, K
+
,Ca
2+
,
Mg
2+
,Mn
2+
chiếm khoảng 90-95% trong nước ngọt và trong
các nguồn nước khoáng >99% trong tổng số các chất hoà tan.
Hàm lượng các ion hoà tan phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu,
địa mạo và vị trí của thuỷ vực.
Đặc điểm hình thành các ion hoà tan của các dòng chảy do
các nhân tố chủ đạo quyết định: lượng nước mưa, bốc hơi và quá
trình phong hóa.
Các chất khí hoà tan
Hầu hết tất cả các chất khí (trừ CH
4
) đều có khả năng hoà
tan hoặc phản ứng với nước. Thành phần các chất khí phụ thuộc
vào điều kiện tự nhiên của nguồn nước.
Các quá trình hình thành chất khí trong nước tự nhiên: hoà
tan từ khí quyển (O
2
, N

2
, CO
2
, các loại khí trơ ) sản phẩm từ
các quá trình sinh hoá (H
2
S,CH
4
,N
2
,CO
2
) và quá trình biến đổi
trong khoáng chất có sẵn trong nước ngầm.
Nồng độ các chất khí hoà tan tuân thủ theo định luật
Herry
Các chất rắn
Phân loại theo tỷ trọng: lắng được d>10
-5
m và lơ lửng.
Theo kích thước: lọc được d >10
-6
m và không lọc được, các
hợp chất keo d = 10
-6
-10
-9
m và dạng hoà tan d <10
-9
m.

Các chất hữu cơ
Hàm lượng chất hữu cơ thấp ít gây nguy hiểm đến việc sử
dụng nguồn nước, nguợc lại bị ô nhiễm. Các chất hữu cơ được
chia thành các dạng dê phân huỷ sinh học và khó bị phân huỷ.
4

Thành phần sinh học
Thành phần và mật độ cơ thể sống phụ thuộc vào : thành
phần hoá học của nguồn nước, chế độ thuỷ văn, địa hình nơi cư
trú, khí hậu
Các loại thuỷ sinh vật trong nước: vi khuẩn, nấm, siêu vi
trùng, tảo, nguyên sinh động vật, động vật đa bào, động vật có
xương, nhuyễn thể
Các hình thức sống trong nguồn nước rất đa dạng: dạng phù
du (plankton, phytoplankton, macroplanton); cá, sinh vật sống
bám, sinh vật đáy
Vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong việc phân huỷ các
chất hữu cơ, hỗ trợ quá trình tự làm sạch nguồn nước có ý nghĩa
to lớn về mặt sinh thái. Các loại vi khuẩn chia thành hai loại : tự
dưỡng (heterophic) và dị dưỡng (autotrophic).
Phân loại nguồn nước
• Theo mục đích sử dụng được chia thành các loai nguồn nước:
cấp cho sinh hoạt, và các mục đích khác như giải trí, tiếp xúc
với nguồn nước và nuôi trồng các loại thuỷ sản.
• Theo độ mặn thường theo nồng độ muối trong nguồn nước
được chia thành nước ngọt, nước lợ và nước mặn.
• Theo vị trí nguồn nước chia thành các nguồn nước mặt (sông,
suối, ao, hồ ) nước ngầm.
1.2.Chất lượng nguồn nước và đánh giá chất lượng nguồn
n

ước
1.2.1. Chất lượng nguồn nước
1.2.2. Đánh giá chất lượng nguồn nước
Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nguồn nước
Các chỉ tiêu vật lý
Nhiệt độ
Màu sắc
Mùi, vị
Độ đục.
5

Các chỉ tiêu hoá học
Các chất lơ lửng, phân tán nhỏ
Các chất khí hoà tan
Các ion hoà tan
Các chỉ tiêu sinh học
Vi trùng, vi khuẩn gây bệnh.
1.3. Các nguồn gây ô nhiễm môi trường nước.
1.3.1. Nước thải sinh hoạt từ các khu dân cư
• Nguồn gốc
• Đặc điểm nguồn thải, chế độ thải
• Tính chất, thành phần
1.3.2. Nước thải công nghiệp
• Nguồn gốc
• Đặc điể
m nguồn thải, chế độ thải
• Tính chất, thành phần
1.3.3. Nước mưa chảy tràn
1.3.4. Các hoạt động từ tàu thuyền
Các nguồn khác: nước mưa, các vùng xử lý chất thải rắn

1.2. Mọ hỗnh chỏỳt lổồỹng nổồùc, ổùng duỷng trong cọng
taùc quaớn lyù CLNN
MHCLN là các phần mền tính toán các chỉ tiêu phản ánh
chất lượng nguồn nước. Các chỉ tiêu bao gồm: các chỉ
tiêu vật lý, hoá học và thành phần sinh họ
c của nguồn
6

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.
1.2.1. Lịch sử phát triển
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 rấ
t rộng rãi trong các 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 tổng hợp nguồn
nước.
Trong gần một thế kỷ, từ mô hình đơn giản đầu tiên cho đến
nay sự phát triển MHCLN có thể được tóm tắt theo các giai đoạn
sau :
Giai đoạn đầu thế
kỷ 20
Mô hình chất lượng nước đầu tiên được Streeter-Phelps
thiết lập 1925, mô phỏng sự thay đổi các chất hữu cơ BOD & D
(độ thiếu hụt oxy) ở vùng hạ lưu các nguồn thải điểm trên dòng
chảy sông Ohio. Mô hình được thiết lập dựa trên cơ sở các giả
thiết : dòng chảy ổn định, sự phân hủy các chất hữu cơ theo phản

ứng bậc nhất và sự thiếu hụ
t oxy trong dòng chảy là do sự phân
hủy các chất hữu cơ.
7

Trong những năm của thập kỷ 30 -50, kết hợp các kết quả
nghiên cứu lý thuyết về quá trình xáo trộn, khuếch tán rối vật
chất trong dòng chảy của Taylor, Eder và các phương pháp tính
toán sự lan truyền chất trên dòng chảy, Các tác giả cố gắng nâng
cao độ tin cậy bằng việc xem xét đồng thời ảnh hưởng của quá
trình khuếch tán rối đến quá trình lan truyền các chất ô nhiễm
trong dòng chảy. Các nghiên cứu tập trung vào các mối quan hệ
giữa sự thay đổi giá trị BOD&D trên các dòng chảy với các chế
độ thủy lực khác nhau.
Tuy nhiên, trong giai đoạn này do sự hạn chế của phương
pháp tính, công cụ tính toán cũng như các điều kiện thực nghiệm
trong dòng chảy nên các MHCLN chủ yếu tập trung giải quyết
các vấn đề đặt ra trong các dòng chảy đơn giản kênh, sông với
điều kiện ổn định, một chiều. Kết quả đạt được trong giai đoạn
này là các công thức thực nghiệm xác định hằng số tốc độ hoà
tan oxy, các số liệu thống kê về hằng số tốc độ phân huỷ các chất
hữu cơ trong các dòng chảy có chế độ thuỷ lực khác nhau.
Giai đoạn thập kỷ 60
Trong giai đoạn này, cùng với công cụ tính toán mới (máy
tính điện tử) các phương pháp tính toán được hoàn thiện, các
phương pháp số giải bài toán thủy l
ực, bài toán lan truyền chất
trong dòng chảy đã trở nên quen thuộc. Các MHCLN được phát
8

triển tính toán với bài toán nhiều chiều hơn và xử lý các vấn đề
mà trước đây khi giải quyết còn gặp rất nhiều khó khăn. Độ tin
cậy của mô hình cũng được nâng cao hơn.
Các vấn đề được quan tâm trong giai đoạn này là áp dụng vào
tính toán trong thực tiễn các vấn đề như đề cập trên nhưng các
mô hình giải quyết các bài toán nhiều chiều hơn và các vấn đề
phức tạp hơn. Độ tin cậy của mô hình được nâng cao do bổ sung
thêm các quá trình có ảnh hưởng đến sự phân bố nồng độ các
chất hữu cơ trong dòng chảy :
- Qúa trình lắng các chất lơ lửng, phân tán nhỏ trong quá trình
lan truyền.
- Qúa trình giải phóng các chất từ lớp bùn đáy do sự cọ sát của
dòng chảy với lớp bùn đáy.
- Quá trình quang hợp và hô hấp của hệ thực vật thuỷ sinh
Các MHCLN được phát triển rất đa dạng. Nếu như
trước đây
các mô hình thuần túy đánh giá những tác động của nguồn thải
điểm đến chất lượng nước sông, các mô hình đã đề cập đến sự
lan truyền trong dòng chảy của các sông rộng, vùng cửa sông.
Trong các ứng dụng vào thực tiễn, các nghiên cứu đã xác định
các số liệu thực nghiệm về hằng số tốc độ hoà tan, hệ số chuyển
hoá các chất trong dòng chảy. Với các lư
u vực có chế độ thuỷ
9

lực độ tin cậy của kết quả tính toán mô phỏng còn nhiều hạn chế
.
Giai đoạn thập kỷ 70
Thập kỷ 70, với sự hoàn thiện các phương pháp nghiên cứu
thực nghiệm xác định sự phân tán vật chất trong dòng chảy các

MHCLN phát triển đa dạng hơn. Đề cập đến vai trò của quá
trình tự làm sạch của nguồn nước (khả năng chuyển hóa các chất
bẩn củ
a hệ động thực vật), các nghiên cứu tập trung thêm vào
các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phú dưỡng nguồn nước. Sự
chuyển hóa các chất ô nhiễm trong chuổi thức ăn. Sự tích lũy các
chất ô nhiễm trong các sinh vật tiêu thụ. Bước đầu, các nghiên
cứu chỉ dừng lại ở các nghiên cứu sự phú dưỡng của các hồ chứa
nước. Đối với dòng chảy vấn đề này cũng đ
ã được đề cập đến,
tuy nhiên khi triển khai ứng dụng còn rất nhiều khó khăn trong
việc đánh giá và hiệu chỉnh mô hình.
Giai đoạn thập kỷ 80 đến nay
Cuối những năm 80 trở lại đây, Các MHCLN tập trung
nghiên cứu mối quan hệ giữa các quá trình sinh thái -chất lượng
nước trong dòng chảy. Các mô hình được thiết lập dưới dạng
đơn giản hơn nhưng độ tin cậy cao hơn.
Thomann và Mueller (1987) mô hình hoá các ả
nh hưởng
của mối quan hệ giữa các loại phù du thực vật với các chất dinh
10

dưỡng trong dòng chảy đến chất lượng nước sông. Các chất dinh
dưỡng được đưa vào dòng chảy dưới dạng các nguồn thải điểm.
Law và Chalup (1990) xây dựng MHCLN trên cơ sở sự
phát triển của quá trình quang hợp và hô hấp của tảo. Điều này
đã được Bowie bổ sung vào mô hình Qual 2E (1993). Di Toro và
Fitzpatrick (1993) phát triển, bổ sung thêm mối quan hệ giữa các
sinh vật lớn tiêu thụ (sinh vật tiêu thụ bậc I) sự chuyển hóa và
tích lũy các chất dinh d

ưỡng.
Hiện tại, hướng phát triển của MHCLN là nghiên cứu sự
tích lũy các chất hữu cơ bền vững trong chuổi thức ăn, sự tích
lũy các chất độc trong các cơ thể sống. Mô phỏng phân bố nồng
độ các chất ô nhiễm trên các dòng chảy phức tạp như sự lan
truyền các chất ô nhiễm từ các nguồn thải điểm, các nguồn thải
phân tán, các nguồn thải phát sinh thêm trong quá trình chuyển
hóa các chất ô nhiễm.
Các áp dụng thực tiễn, được triển khai rộng ở các dòng
chảy có chế độ phức tạp như các dòng chảy sông rộng, cửa sông,
các vũng, vịnh và các vùng biển ven bờ.
1.2.2. Phân loại MHCLN và phạm vi ứng dụng
MHCLN là các phần mền tính toán các chỉ tiêu phản ánh
chất lượng nguồn nước như : các chỉ tiêu vật lý, hoá học và
thành phần sinh học của nguồn nước trên cơ sở giải các phươ
ng
11

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.
Tùy thuộc đối tượng nghiên cứu, cách tiếp cận, các giả thiết khi
thiết lập, các thông số và mối quan hệ giữa các quá trình khi thiết
lập phương trình và các phương pháp số được áp dụng để tính
toán nên mỗi mô hình có những thế mạnh và hạn chế khác nhau.
Trên cơ sở mối quan hệ giữa các quá trình, các yếu tố hình
thành và ảnh hưởng đến chất lượng nguồn nước, các MHCLN
được chia thành hai loại : mô hình tính toán sự lan truyền,
phân bố các chất ô nhiễm trong dòng chảy và mô hình mô
phỏng sự hình thành chất lượng nước và xu thế biến đổi chất
lượng nguồn nước.

Mô hình tính toán sự lan truyền, phân bố các chất ô
nhiễm trong dòng chảy
Mô phỏng sự biến đổi các chỉ tiêu chất lượng nước theo
thời gian trong không gian của dòng chảy. Việ
c thiết lập mô hình
dựa trên cơ sở giải phương trình tải và tải-phân tán các chất ô
nhiễm trong dòng chảy. Các yếu tố đặc trưng về dòng chảy được
xác định từ các mô hình thủy lực, các số liệu thống kê hoặc đo
thực nghiệm như các mô hình QualI, II; Stream I, II Loại mô
hình này có ưu điểm và hạn chế sau :
12

- Cho kết quả nhanh về sự lan truyền, phân bố các chất từ
các nguồn thải đến chất lượng nước. Trên cơ sở đó cho
phép chúng ta đánh giá tác động ban đầu cũng như những
ảnh hưởng lâu dài đến chất lượng nguồn nước.
- Độ tin cậy cao, dễ sử dụng do đòi hỏi ít các số liệu đầu
vào.
- Áp dụng rộng rãi trong việc đánh giá tác động của các
hoạt
động phát triển, dự báo xu thế biến đổi chất lượng
nguồn nước.
Nhược điểm là : chưa xem xét đến các yếu tố hình thành
chất lượng nguồn nước, việc tính toán mô phỏng trong các
khoảng thời gian ngắn và đặc biệt đánh giá ảnh hưởng của
các nguồn thải phân tán, các sự cố môi trường đến chất
lượng nguồn nước còn gặp nhiều khó khăn.
Mô hình mô phỏng sự hình thành ch
ất 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 So với loại mô
hình trên có các ưu điểm và hạn chế sau :
13

- Mô tả một cách tổng quát và toàn diện hơn về chất lượng
nguồn nước cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến các chỉ tiêu
chất lượng nước.
- Xem xét, đánh giá được mức độ tác động của các chất ô
nhiễm từ các nguồn không điểm đến chất lượng nguồn
nước. Các chất ô nhiễm cơ nguồn gốc từ các hoạt động
nông nghiệp, từ các khu vực đô thị và tập trung dân cư
được đưa vào dòng chảy theo nước mưa chảy tràn.
- Đòi hỏi một lượng rất lớn và đồng bộ các thông tin ban
đầu như : các số liệu địa hình lưu vực, các số liệu về thủy
văn, dòng chảy và khối lượng tính toán rất lớn và phức
tạp.
- Đánh giá, hiệu chỉnh mô hình cũng như chuẩn hoá các hệ
số gặp nhi
ều khó khăn trong thực tế và đòi hỏi một
khoảng thời gian dài do việc dự báo các thông tin ban đầu
có độ tin cậy thấp.
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.


1

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH
CHẤT LƯỢNG NƯỚC

2.1. Các phương trình cơ bản
Mô tả sự xáo trộn và lan truyền các chất ô nhiễm trong dòng chảy dựa trên cơ sở lý
thuyết của quá trình khuếch tán rối. Lý thuyết này đã được thừa nhận rộng rãi trên thế
giới. Phương trình vi phân cơ bản mô tả quá trình lan truyền và khuếch tán rối vật chất
trong dòng chảy dựa trên các giả thiết cơ bản sau :
- Chất lỏng không nén.
-Trị số Reynold đủ lớn để không xét đến hiệu ứng củ
a quá trình khuếch tán phân
tử.
-Số lượng các chất giải phóng trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị thể tích là
rất nhỏ và bỏ qua ảnh hưởng của chúng đến cấu trúc của dòng chảy.
Trên cơ sở định luật bảo toàn khối lượng, phương trình vi phân mô tả quá trình xáo
trộn, lan truyền và chuyển hóa các chất ô nhiễm trong chất lỏng lý tưởng-phương trình tải
-khuếch tán như sau :

()
0=+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
−

∂
∂
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
−
∂
∂
+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
−
∂
∂
+
∂

∂
+
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
SF
z
C
D
zy
C
D
yx
C
D
xz
C
u
y
C
u
x
C
u
t

C
zyxzyx
(2.1)
Trong đó :
D
x
, D
y
, D
z
- Hệ số khuếch tán phân tử, m
2
/s.
u
x
,

u
y
, u
z
- Vận tốc dòng chảy theo các phương x,y,z, m/s.
F(S) - Số hạng đặc trưng cho quá trình chuyển hoá các chất ô nhiễm bởi
các quá trình vật lý, hoá học và sinh học diễn ra trong dòng chảy.
Phương trình (2.1) là phương trình lý thuyết nửa kinh nghiệm mô tả quá trình tải
và khuếch tán đối lưu vật chất trong dòng chảy. Khi áp dụng phương trình vi phân (2.1)
giải bài toán xác định sự xáo trộn vật chất trong dòng chảy rối trong đường ống, Taylor
(1954) từ các nghiên cứu thực nghi
ệm kiến nghị sử dụng hệ số khuếch tán tích phân để có
thể xem xét ảnh hưởng của trường vận tốc trên tiết diện của mặt cắt ướt đến quá trình

khuếch tán rối vật chất.
2

Từ các nghiên cứu trên, phương trình vi phân (2.1) mô tả sự khuếch tán rối vật chất
trong dòng chảy được viết lại là :
()
SF
z
C
zy
C
yx
C
xx
C
u
x
C
u
x
C
u
t
C
zyxzyx
+++=+++ )()()(
∂
∂
ε
∂

∂
∂
∂
ε
∂
∂
∂
∂
ε
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
(2.2)
Trong đó :
ε
x
;
ε
y
;
ε
Z
- Hệ số khuếch tán rối tích phân tại điểm đang xét, hệ số xáo

trộn rối theo các phương x,y,z.
Từ các phương trình (2.1), (2.2) cho thấy sự lan truyền các chất trong dòng chảy
rối trong mọi trường hợp phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy tại điểm đang xét.
Trong dòng chảy tự nhiên, trên kênh, sông sự xáo trộn, khuếch tán của các chất
tại một điểm luôn luôn chịu ảnh h
ưởng của trường vận tốc theo phương ngang và phương
thẳng đứng, để làm rỏ sự khác biệt này so với dòng chảy trong ống thường sử dụng hệ số
phân tán rối. Phương trình 2.2 được viết lại là :
()
SF
z
C
E
y
C
E
x
C
E
x
C
u
x
C
u
x
C
u
t
C

zyxzyx
+++=+++
2
2
2
2
2
2
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
(2.3)
Trong đó :
E
x
E
y
E
z

- Hệ số (phân tán rối) khuếch tán rối vật chất theo phương x,y,z tại
mặt cắt.
Như vậy, quá trình phân tán rối vật chất trong dòng chảy là tổ hợp của quá trình
khuếch tán rối vật chất trong trường vận tốc dòng chảy có hướng và vận tốc khác nhau.
2.2.Hệ số khuếch tán rối
Như đã phân tích ở trên, sự khuếch tán vật chất trong dòng chảy là quá trình
khuếch tán phân tử qua màng và khuếch tán đối lưu. Hệ số khuếch tán rối chịu ảnh
hưởng của sự xáo trộn giữa các lớp dòng chảy rối có vận tốc khác nhau qua mặt cắt ngang
/2,10,11/. Các phương xáo trộn của nước thải với nước sông tại một điểm trên mặt cắt
ngang dòng chảy được thể hiện
ở H.2









3

Trong thực tế, các hệ số khuếch tán rối thường được xác định giá trị trung bình với
tiết diện mặt cắt ướt của dòng chảy, không phụ thuộc vào tọa độ điểm tính toán và độ lớn
của nó phụ thuộc vào các yếu tố thủy lực của dòng chảy tại mặt cắt.
• Hệ số khuếch tán rối theo phương thẳng đứng
ε
z

Hệ số khuếch tán rối theo chiều thẳng đứng tại một điểm trên mặt cắt ngang được
xác định theo công thức :
ε
z
kdu
z
d
z
d
=
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
−
⎛
⎝

⎜
⎞
⎠
⎟
∗
1
(2.4)
Với :
u gdS
∗
= : vận tốc trượt (vận tốc động lực) của dòng chảy tại mặt cắt.
z : tọa độ điểm tính toán, m.
k : hệ số rối Von Karman (k
≈
0,40 ).
d : chiều sâu trung bình của dòng chảy tại mặt cắt.
S : độ dốc đáy của dòng chảy, m/m.
g : gia tốc trọng trường, m/s
2
.
Gọi
Z
ε
là hệ số khuếch tán rối trung bình cho mặt cắt.
∫
=
d
zz
dz
d

0
1
εε
(2.4)
Jobson và Sayer (1970) ; Csanady (1976) bằng các nghiên cứu thực nghiệm xác
định hệ số khuếch tán rối và đề xuất công thức kinh nghiệm về hệ số khuếch tán rối
ε
z
tại
một mặt cắt ngang của dòng chảy.

ε
z
du=
∗
0 067,
(2.5)

• Hệ số xáo trộn theo phương ngang
ε
y

Fischer (1967,1969) bằng thực nghiệm xác định hệ số khuếch tán rối và đưa ra
công thức tính hệ số khuếch tán rối
ε
y
tại một điểm trên mặt cắt ngang của dòng chảy.
ε
y
du=

∗
015,
(2.6)



Hình.2 Các phương xáo trộn của dòng chảy.

4

Lau và Krishnapan (1977) bằng các thực nghiệm trong các dòng chảy tự nhiên trên
kênh, sông có các chế độ chảy khác nhau, kiến nghị mức độ sai số của hệ số
ε
y
.

Dòng chảy trong kênh thẳng hình thang :
ε
y
du=±
∗
015 50%.
(2.7)

Sông có chế độ chảy êm :
ε
y
du=±
∗
0 6 50%,

(2.8)

Sông hình dạng cong, khúc khủy :
∗
=
uR
du
c
y
2
32
25
ε
(2.9)
Trong đó :

u
:vận tốc trung bình tại mặt cắt ngang dòng chảy, L.T
-1

R
c
:bán kính thủy lực, L
d : chiều sâu trung bình, L.
Từ công thức (2.5) và (2.6) dễ dàng nhận thấy
ε
ε
yz
≈
10 như vậy quá trình khuếch

tán rối theo phương ngang của dòng chảy lớn hơn rất nhiều so với quá trình khuếch tán
rối theo phương thẳng đứng.
• Hệ số khuếch tán rối
ε
x

Tương tự như việc xác định
ε
z
và

ε
y
, Elder (1959) bằng thực nghiệm đã xác định
hệ số khuếch tán rối tại một điểm trên mặt cắt ngang theo chiều dòng chảy
ε
x
.

∗
= du
x
93,5
ε
(2.10)
So sánh
ε
x
;
ε

y
và
ε
z
cho thấy :
ε
x
>>
ε
y
>>
ε
z
như vậy quá trình xáo trộn và pha
loảng các chất ô nhiễm diễn ra chủ yếu theo theo chiều của dòng chảy. Hay nói một cách
khác sự xáo trộn, khuếch tán rối chất ô nhiễm tại một điểm nào đó tại mặt một điểm nào
đó trên cắt ngang dòng chảy chịu ảnh hưởng chủ yếu vào trường vận tốc của dòng chảy
tại mặt cắt ngang đó.
• Hệ s
ố phân tán dọc dòng chảy E
x

Khi xem xét ảnh hưởng của trường vận tốc tại mặt cắt ngang lên sự khuếch tán dọc
theo chiều dòng chảy Fischer (1967) kiến nghị thay thế hệ số khuếch tán rối
ε
x
bằng hệ số
phân tán dọc dòng chảy E . Hệ số này được xác định bằng cách chia nhỏ mặt cắt dòng
chảy ra thành nhiều đơn vị nhỏ để có thể xét được ảnh hưởng của trường vận tốc tại mặt
cắt lên sự xáo trộn và phân tán vật chất.

()
∫∫∫
′
−−=
y
w
y
y
ix
ddydydyu
d
uu
A
E
000
11
ε
(2.11)

Với :
w : chiều rộng của dòng chảy tại mặt cắt đang xét, L
u
i
: vận tốc trung bình qua đơn vị mặt cắt i ,L.T
-1

u : vận tốc trung bình trên toàn bộ mặt cắt, L.T
-1

d : chiều sâu của mặt cắt đơn vị thứ i , L
5

ε
y
du=
∗
06,
hệ số khuếch tán rối theo phương ngang giữa tiết diện đơn vị
mặt cắt thứ i và i-1.
Tích phân (2.11) ta được hệ số phân tán theo chiều dòng chảy tại mặt cắt ngang
của dòng chảy.
Từ các số liệu thực nghiệm Fisher đề xuất công thức kinh nghiệm tính hệ số phân
tán dọc E
x
tại mặt cắt ngang dòng chảy.

∗
=
du
u
WE
x
2
2
011.0
(2.12)
2.2. Sự chuyển hoá các chất trong dòng chảy
Gỉa thiết rằng, các chất xâm nhập vào dòng chảy kênh, sông qua nước thải và các

nguồn thải có kích thước đủ nhỏ (so với dòng chảy sông) để có thể coi như là các nguồn
điểm. Do trong nước thải có nồng độ các chất cao hơn trong nguồn nước nên sẽ xuất hiện
xu thế cân bằng nồng độ bằng cách vận chuyển các chất từ nước thải sang nước sông.
Qúa trình vận chuyển chất được xả
y ra bằng hai cách :
-Quá trình vận chuyển chất do dòng chảy (advection)
-Quá trình khuếch tán các chất do dòng chảy rối (turbulent disfusion).
Ngoài ra, tuỳ thuộc chế độ thuỷ lực của dòng chảy, tính chất thành phần các chất
bẩn mà nồng độ các chất ô nhiễm trong dòng chảy còn phụ thuộc các quá trình : các quá
trình vật lý (hấp thụ, hấp phụ, lắng, bay hơi ), hoá học (sự phân huỷ, tương tác hoá học )
và sinh học (tích tụ sinh học, phân huỷ, chuyển hoá )
Sự chuyển hóa các chất hữu cơ trong dòng chảy là tổng hợp các quá trình thuỷ
động học, thuỷ hoá, sinh học diễn ra trong nguồn nước. Dưới góc độ sinh thái, đây là
khả năng đảm bảo sự tự ổn định của hệ sinh thái khi có tác động từ bên ngoài. Qúa trình
chuyển hóa -phân huỷ các chất hữu cơ nhờ các loại vi sinh vật
Sự chuyển hóa các chất hữu cơ trong dòng chảy có liên quan đến tất cả các quá
trình sinh thái trong hệ sinh thái dòng chảy sông. Các qúa trình sinh thái, m
ối quan hệ
giữa các quá trình diễn ra trong dòng chảy khi tiếp nhận các chất thải từ các nguồn bên
ngoài được mô tả hình 2.2




6

Từ sơ đồ ở hình 2.1 cho thấy sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ dễ phân hủy
trong dòng chảy có liên quan đến các quá trình : vật lý, hóa học và sinh học diễn ra trong
dòng chảy. Các quá trình phân hủy sinh học, chuyển hóa đều có liên quan đến các quá
trình sinh thái diễn ra trong dòng chảy : sự phát triển của thực vật nước, và các quá trình
có liên quan khác
2.2.1.Các quá trình sinh thái - chất lượng nước trong dòng chảy
2.2.1.Tảo
Sự phát triển củ
a tảo trong dòng chảy sông
Sự phát triển của tảo trong sông chịu ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng, thủy
văn, thành phần hóa học và các quá trình sinh học diễn ra trong dòng chảy.
Cấu trúc chu trình phát triển của tảo như sau : sản xuất bậc I chuyển hóa các chất
dinh dưỡng dạng vô cơ thành sinh khối của tảo; sản xuất bậc II của các loài động vật bậc
II nổi đi kèm với việc tiêu thụ
tảo. Chết và bài tiết sẽ giải phóng các chất hữu cơ dạng
Thực vật
Oxy hoà tan Bùn đáy
BOD

Chất thải từ bên ngoài
Chu
trình
Nitơ
Tảo
Quang hợp
Hô hấp
Quang hợp
Hô hấp
Chết và phân huỷ
Làm thoáng
Vẩn nổi
Lắng
Chết và phân huỷ
Sinh trưởng
Hình 2.1. Sơ đồ các quá trình chuyển hoá các chất hữu cơ trong dòng chảy
7

chất vẩn và dạng hòa tan. Các con đường tái tạo sẽ chuyển các chất hữu cơ thành các
dạng vô cơ là các chất cần thiết cho sản xuất bậc I.
Sự phát triển của tảo trong nước được biểu thị bằng công thức sau :
()
(
)
0
A
t
p
pt
CCe

μ
−
= (2.13)
Trong đó :
()
p
Ct -Sinh khối của tảo ở thời gian t (mg/l).
()
0
p
C
-Sinh khối của tảo ở thời điểm t
o
(mg/l).

A
μ
-Hệ số tốc độ phát triển của tảo (ngày
-1
).
t -Thời gian (ngày)
Động học của quá trình phát triển của tảo
Động học của quá trình phát triển của tảo liên quan đến sự chuyển hóa các chất hữu cơ
trong dòng chảy sông. Phương trình tổng quát

()
1
dA
AA
dt d

σ
μζ
=− − (2.14)
Trong đó :
t -Thời gian (ngày)

μ
-Hệ số sinh trưởng của tảo (ngày
-1
)
ζ
-Hệ số hô hấp của tảo phụ thuộc vào nhiệt độ, hô hấp nội sinh và hô
hấp do quá trình trao đổi chất (ngày
-1
).

1
σ
-Hệ số lắng, phụ thuộc nhiệt độ (ngày
-1
)
d -Chiều sâu cột nước (m)
Mối quan hệ giữa sự phát triển tảo và nồng độ các chất dinh dưỡng
Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo trong dòng chảy sông bao
gồm : nhiệt độ, ánh sáng, các chất dinh dưỡng, sự mất đi, sự lắng của tảo, sự kìm hãm ức
chế quá trình quang hợp và hình thái dòng chảy cũng như vận tốc dòng chảy.

ảnh hưởng của các chất dinh dưỡng nitơ, phốt pho và cường độ chiếu sáng đối với
sự phát triển của tảo được biểu thị dưới dạng sau :

()()()
max
f
NFPf L
μ
μ
=
-Hàm của các chất dinh dưỡng được biểu thị qua biểu thức của Michaelis-Menton:
8

()
N
N
fN
KN
=
+


()
P
P
fP
KP
=
+

Trong đó :
N -Nồng độ của nitơ vô cơ trong nước, NO
3

-

P - Nồng độ của PO
4
3-
trong nước, mg/l
k
N
,k
P
- Hằng số Michaelis của Nitơ, Phốt pho

max
μ
-Tốc độ sinh trưởng lớn nhất của tảo
-Ảnh hưởng của ánh sáng đến sự sinh trưởng của tảo có thể xác định bằng các biểu
thức theo các hàm Monod, Smith và Steel.
Theo hàm Monod : ()
Z
Z
IZ
I
fL
KI
=
+

Trong đó :
I
z

- Cường độ ánh sáng ở độ sâu z (μE/m
2
s)
K
I
- Cường độ chiếu sáng cho sự sinh trưởng của tảo đạt 50% tốc độ lớn
nhất.
Theo hàm Smith
22
()
Z
Z
IZ
I
fL
KI
=
+

Trong đó :
K
I
-Cường độ chiếu sáng cho sự sinh trưởng của tảo đạt 70% tốc độ lớn
nhất.
Theo hàm Steel
(1 )
()
Z
s
I

I
Z
Z
s
I
fL e
I
−
=
Trong đó :
I
z
-Cường độ ánh sáng cho sự sinh trưởng của tảo là cực đại (
μ
=
μ
max
)

Trong tất cả các trường hợp trên, cường độ chiếu sáng theo độ sâu đều tuân theo
định luật Beer Lambert với :

Z
ZS
I
Ie
λ
−
=
9

Trong đó :
I
S
-Cường độ ánh sáng ở trên bề mặt.
Z -Chiều sâu cột nước.
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của tốc độ phát triển của tảo được xem xét bằng phương
trình của O’Neill


1
max
max opt
TT
X
TT
max
T
max opt
TT
fXe
TT
⎛⎞
−
⎜− ⎟
⎜⎟
−
⎝⎠
−

=
−

Với
()
2
0.5
2
1
11
400
w
w
X
⎡⎤
++
⎢⎥
⎣⎦
=


()
10 10
ln ; 1.85
max opt
wQTTQ=−=
T
max
và T
opt

là nhiệt độ gây chết và nhiệt độ phát triển tối ưu của tảo. Với tảo lục,
các giá trị lần lượt là 45
o
C và 27
o
C.
2.2.1.2.Chu trình nitơ trong nguồn nước và qúa trình nitrat hóa
Chu trình tuần hoàn nitơ
Nitơ cùng với phốt pho và các bon là các thành phần dinh dưỡng chủ yếu ảnh
hưởng đến sự sản xuất trong thủy vực nước. Tồn tại trong nước dưới một số dạng như
Nitơ hữu cơ, nitơ amôn, nitơrit, nitrat Chu trình nitơ trong nước được mô tả trong hình
2.2.
Qúa trình nitrat hóa
Qúa trình amôn hóa các hợp chất hữu cơ có chứa nitơ, như urê CO(NH
2
)
2
, nhóm
amin do từ các nguồn thải đưa vào dòng chảy được thực hiện bởi các vi sinh vật gây thối
rửa như các loài Pseudomonas Flucrecens, P.aerugisa, Protens-Vulgarie theo các phản
ứng thủy phân sau.
()
22
NH CO H O+
(
)
22
NH CO H O+
()
22

NH CO H O+
(
)
22
NH CO H O+
10

Sau đó trong nước xảy ra quá trình nitrat hóa, chuyển hóa amomonia thành nitrat.
Đây là quá trình hai giai đoạn được thực hiện bởi các vi sinh vật tự dưỡng như
Nitrosomonas, nitrobacter ở đó chúng sử dụng các bon vô cơ (CO
2
) là nguồn cácbon.

Các phản ứng đặc trưng cho quá trình này được biểu thị bằng các phương trình sau
NH
4
+
+ O
2

22
NO H H O
−+
++
22
NO O
−
+

3
NO
−

Qúa trình oxy hóa nitrit thành nitrat thường diễn ra rất nhanh hơn nhiều so với quá
trình nitrat hóa. Phản ứng của quá trình có thể được viết lại là.
42
NH O
+
+
32
NO H O H

−
+
++
Sự chuyển hóa NH
4
+
thành NO
3
-
đi kèm với việc tiêu thụ một lượng lớn oxy hòa
tan, vì vậy quá trình này có ảnh hưởng đến cân bằng oxy trong dòng chảy.
Trong dòng chảy sông ngoài ra còn một quá trình quan trọng nữa là quá trình
tương tác trao đổi giữa nitơ trong dòng chảy và nitơ ở trong các lớp bùn đáy. quá trình
này được thể hiện ở hình trên.
Nitơ hữu cơ
NH
4
-N
NO
2
-N N0
3
-N
Thủ
y

p
hân
Nitro-
somonas

Nitro-
bacter
Nguồn thải
Nitơ hữu cơ
Nguồn thải
NH
4
+

oxy N
2
oxy
Nguồn thải
NO
3
-

Nitơ thực vật
Nitơ đ
ộ
n
g
v
ậ
t
Chế
t

K
hử Nitra

t
Hình2.3.Chu trình nitơ trong nguồn nước sông
11

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình
Qúa trình nitrat hóa trong sông phụ thuộc vào các yếu tố môi trường. Các yếu tố
ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình này là nồng độ các chất nền NH
4
-N, NO
2
-N, oxy hòa tan
cũng như các điều kiện nhiệt độ, pH cho sự phát triển của các loại vi sinh vật tham gia
quá trình này.
Mối quan hệ của các yếu tố đến quá trình nitrat hoá được biểu thị bằng công thức
của Michaelis-Mentons

()
42
42
2
42
, ,
max
NN
NH NO
NH NO
f
TO BOD
kNHkNO
μμ

=
++

Trong đó :

N
μ
-Hệ số tốc độ phát triển của vi sinh vật nitrat

max
N
μ
-Hệ số tốc độ phát triển lớn nhất của vi sinh vật nitrat

42
,NH NO -Nồng độ của NH
4
và NO
2

42
,
NH NO
kk -Hằng số Michaelis của NH
4
và NO
2

()
2

, ,
f
TO BOD -Hàm xét đến sự phụ thuộc của quá trình nitrat hóa vào nhiệt độ,
oxy hòa tan, nồng độ các chất hữu cơ theo BOD và vận tốc dòng chảy.
Các yếu tố ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình nitrat hóa trong dòng chảy là pH,
nhiệt độ, oxy hòa tan, các chất độc cũng như hình thái của thủy vực nước, chuyển động
rối và ánh sáng.
ảnh hưởng của pH
Hiệu suất tối ưu của các vi sinh vật tham gia quá trình nitrat hóa đạt được khi giá
tr
ị pH nằm trong khoảng từ 7.5 đến 8.5
Trong các nguồn nước sông nghiên cứu, giá trị pH thường nằm trong khoảng giá
trị kiềm yếu. Khi quá trình quang hợp diễn ra mạnh sẽ làm tăng giá trị pH, trong khoảng
thời gian rất ngắn giá trị pH có thể đạt được các giá trị trên 9. Theo Hubber (1984) thì
hiệu suất của quá trình nitrat hóa sẽ bị giảm xuống rõ rệt khi giá trị pH cao xuất hiện trong
một đoạn ngắn.
Ảnh hưởng của nhi
ệt độ đối với quá trình nitrat hóa