Nghiên cứu xây dựng mô hình kiểm soát chất lượng nước của các hồ đô thị thuộc đồng bằng sông hồng

BỘ GIAO DUC VA DAO TAO

TRUONG DAI HOC XAY DUNG

NGUYÊN DUC TOAN

NGHIEN CUU XAY DUNG MO HINH KIEM SOAT
CHAT LUONG NUOC CUA CAC HO DO THI THUỘC
DONG BANG SONG HONG
CHUYEN NGANH: CAP NUOUC VA THOAT NUOC

MA SO: 2.15.12 a

Ty

` #8 AS fo

LUAN AN TIEN SI KY THUAT
NGƯỜI HƯỚNG DAN KHOA HOC
1. GS.TS. TRAN HIEU NHUE

2. PGS. TS. TRAN DUC HA

HA NOI - 2005


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Hà Nội ngày Ì9 tháng Š năm 2005

Tác giả
®ẻk

—`_——

P
(T

Ngun Đức Tồn

_—_—


il

MUC LUC
Trang
Loi cam doan
Muc luc

i
li

Danh muc cac hinh
Danh muc cac bang
Danh mục các ký hiệu, các từ viết tắt

Mở đầu
Chương 1: Tổng quan mơ hình chất lượng nước và đặc điểm
hồ đơ thị thuộc đồng bằng sơng hồng

1.1. Vai trị, lịch sử phát triển và phân loại mơ hình chất lượng nước

1.1.1. Vai trị của mơ hình CLN trong cơng tác quản lý nguồn nước

1.1.2. Lịch sử phát triển mô hình CLN trên thế giới
1.1.3. Phân loại mơ hình chất lượng nước

1.2. Tổng quan mơ hình chất lượng nước hồ
1.2.1. Tổng quan mơ hình chất lượng nước trên thế giới

1.2.2. Tổng quan các mơ hình chất lượng nước hồ tại Việt Nam
1.3. Đánh giá hiện trạng hề đô thị thuộc ĐBSH
1.3.1. Vai trị của hồ đơ thị và sức ép của q trình đơ thị hố
1.3.2. Đặc điểm hồ đơ thị thuộc ĐBSH

iv
vi
vii

I
6
6

6

7

10

11
11

17
19
19
22

1.3.3. Hiện trạng chất lượng nước hồ đô thị thuộc ĐBSH
1.3.4. Đặc điểm tự nhiên của các hồ đơ thị thuộc ĐBSH

26
29

1.4.1. Q trình hồ tan ơxI và phân huy chất hữu cơ trong nước

34

1.4.2. Quá trình quang hợp của thực vật phù du (phytoplankton)

35

1.4. Các quá trình biến đổi chất lượng nước co ban dién ra trong hồ
1.4.3.
1.4.4.
1.4.5.
1.4.6.

Quá
Quá
Quá
Quá

trình
trình
trình
trình

biến
phát
lắng
biến

đổi các chất dinh dưỡng trong nước
triển của động vật phù du (Zootoplankton)
đọng và trầm tích trong hồ
đổi Carbon trong nước

33

40
43
44
46

Chương 2: Thiết lập mơ hình chất lượng nước hồ đơ thị thuộc ĐBSH

49

2.1. Cơ sở thiết lập mơ hìn!, chất lượng nước hồ
2.1.1. Mục đích
2.1.2. Điều kiện biên
2.1.3. Số liệu cơ sở
2.1.4. Quan lý số liệu và chương trình chạy mơ hình
2.1.5. Qui trình thiết lập mơ hình

49
49
49
49
5]
51

2.2. Cấu trúc mơ hình
2.3. Mơ hình phú dưỡng của hồ

2.3.1. Mơ hình thực vật phù du

53
56

56


II
2.3.2. Mơ hình động vật phù du
2.3.3. Mơ hình thực vật day

59
61

2.3.5. Mơ hình Phospho

64

2.3.4. Mơ hình chat van

vơ cơ

2.3.6. Mơ hình Phospho tổng

62

66

2.4. Mơ hình DO và BOD
2.4.1. Mơ hình DO

66
66

2.5. Mơ hình chất lượng nước cho một chuỗi hồ

71

2.4.2. Mô hinhg BOD

Chương 3: Hiệu chỉnh và kiểm chuẩn mơ hình trên cơ sở nghiên cứu sự

biến đổi CLN trong chuỗi hé Binh Minh, TP. Hai Duong

3.1. Tổng quan về thành phố Hải Dương
3.1.1. Lý do chọn đối tượng nghiên cứu điển hình

3.1.2. Điều kiên tư nhiên

3.1.3. Kinh tế - xã hội

3.1.4. Hiện trang hệ thống cấp thoát nước và vệ sinh mơi trường
3.1.5. Tóm tắt báo cáo nghiên cứu khả thi dự án đầu tư
hệ thống thoát nước TP. Hải Dương

3.2. Nghiên cứu khu vực chuỗi hé Binh Minh
3.2.1. Vị trí và hình thái hồ

3.2.2. Nguồn gây ơ nhiễm
3.2.3. Chất lượng nước chuỗi hồ
3.3. Hiệu chỉnh và kiểm chuẩn mơ hình
3.3.1. Biến số và số liệu đầu vào của mơ hình
3.3.2. Các hệ số trong mơ hình

3.3.3. Kiểm chuẩn mơ hình

Chương 4 : Ứng dụng mơ hình kiểm sốt chất lượng nước chuỗi hơ

68

74

74
74

76

77

77
79

80
80

81
86
90
90
93

95

102

Bình Minh và đề xuất các biện pháp quản lý hồ đô thị

4.1. Thao luận kết quả mô phỏng trạng thái chất lượng nước (kịch bản 1)
102
4.2. Dự báo CLN khi hồ chỉ tiếp nhận nước mưa

107
và không được nạo vét (kịch bản 2)
4.3. Dự báo CLN khi hồ chỉ tiếp nhận nước mưa & được nạo vét (k;ch ban 3) 110
4.4. Đề xuất các biện pháp quản lý hồ đô thị
112
4.3.1. Nguyên nhân của tình trạng ơ nhiễm tại các hồ đơ thị
112
4.3.2. Đề xuất mơ hình tổ chức quản lý hồ đơ thị
114

4.3.3. Đề xuất giải pháp kiểm soát chất lượng nước

115

Kết luận

121

Danh mục các cơng trình của tác giả

125

Tài liệu tham khảo
Phụ lục

126
131


iV

DANH MUC CAC HINH
Trang

Hình 1.1. Sơ đồ chương trình quản lý chất lượng nước
Hình 1.2. Các giai đoạn phát triển mơ hình chất lượng nước
Hình 1.3. Mơ hình phú dưỡng của JOngensen
Hình 1.4. Sơ đồ tổ chức thốt nước tại các đơ thị
Hình 1.5. Vị trí khu vực Đồng bằng Sơng Hồng
Hình 1.6. Sự tăng dân số đơ thị thuộc ĐBSH
Hình 1.7. Đặc tính nước thải sinh hoạt

Hình 1.8. Biểu đồ thay đổi BOD trong nước hồ Tây và hồ Bảy Mẫu

Hình 1.9. Biến đổi nhiệt độ trung bình tháng từ năm 1998 đến năm 2003

Hinh
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hinh
Hinh

1.10.
1.11.
1.12.
1.13.

1.14.
1.15.
1.16.
1.17.
1.18.

Hinh
Hinh
Hinh
Hinh
Hinh
Hinh

1.19.
1.20.
1.21.
1.22.
1.23.
1.24.

Biến đổi bức xạ theo giá trị TB ngày giai đoạn 1998 - 2003

Lượng mưa và bốc hơi TB tháng giai đoạn 1998 - 2003

Vòng luân chuyển phân tử nước
Mối liên kết giữa các quá trình biến đổi CLN trong hồ
Quá trình tổng hợp sinh khối
Sự thâm nhập của ánh sáng và quá trình quang hợp
Mối quan hệ giữa sản lượng tảo và độ sâu của hồ

Chu trình nitơ trong tự nhiên
Chu trình Phospho trong nước

Ảnh hưởng của độ sâu tới trạng thái dinh dưỡng của hồ
Các yếu tố hình thành l g tao
Các loại trầm tích

Q trình chuyển hố Phospho
Thay đổi P trong hồ Kul

Quan hệ giữa nhiệt độ và lượng Phospho được giải phóng
Hình 2.1. Qui trình thiết lập mơ hình
Hình 2.2. Các yếu tố và q trình sinh thái được mơ phỏng

Hình 2.3. Thành phần và cấu trúc của mơ hình

Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hinh
Hình
Hình

Hình
Hình
Hình
Hình

Hình

Hình
Hình
Hình

2.4.
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.
3.7.

Sơ đồ mơ tả cấu trúc mơ hình cho một chuối hồ

Bản đồ hiện trạng Thành Phố Hải Dương
Biến đổi nhiệt độ và bức xạ mặt trời TB ngày từ 1998 - 2003

Cường độ mưa và bốc hơi trung bình ngày 1998 - 2003
Qui hoạch hệ thống thoát nước TP. Hải Dương

Hiện trạng lưu vực thoát nước chuỗi hồ Binh Minh

Biến đổi CLN tại chuỗi hồ Bình Minh từ năm 1996 - 1998

Sơ đồ vị trí lấy mẫu
3.8. Nồng độ SS tại các vị trí và thời điểm khác nhau
3.9. Nồng độ TDS tại các vị trí và thời điểm khác nhau

3.10. Nồng độ NO: và NH,” tại các vị trí và thời điểm khác nhau
3.11. Nồng độ NO; tại các vị trí và thời điểm khác nhau
3.12. Nồng độ N tổng tại các vị trí và thời điểm khác nhau
3.13: Nồng độ PO,” và P tổng tại cácvị trí và thời điểm khác nhau
3.14. Nồng độ BOD;, va COD tại các vị trí và thời điểm khác nhau
3.15. Nồng độ DO tại các vị trí và thời điểm khác nhau

16
20
21
21
24
26
29
30
3]
32
34
36
37
39
40
40

41
42
44
45
46
46

51
53
54
7]
75
76
76
79
8]
86
87
87
87
88
88
88
88
89
89


Hình 3.16. Ký hiệu các thơng số của các hồ

0]

Hình 3.19. Kiểm chuẩn Phospho vơ cơ tại hồ Cơ Khí (hồ 3)
Hình 3.20. Kiểm chuẩn Phospho vơ cơ tại chuỗi hồ Bình Minh

96
96

Hình 3.17. Kiểm chuẩn Phospho vơ cơ tại hồ Triển Lam (hồ 1)
Hình 3.18. Kiểm chuẩn Phospho vơ cơ tại hồ Bình Minh (hồ 2)

96
96

Hình 3.21. Kiểm chuẩn Phospho tổng tại hồ Triển Lãm
Hình 3.22. Kiểm chuẩn Phospho tổng tại hồ Bình Minh
Hình 3.23. Kiểm chuẩn Phospho tổng tại hồ Cơ Khí

97
97
97

Hình 3.26. Kiểm chuẩn BOD tại hồ Bình Minh

98

Hình 3.24. Kiểm chuẩn Phospho tổng chuỗi hồ Bình Minh
Hình 3.25. Kiểm chuẩn BOD tại hồ Triển Lãm
Hình 3.27. Kiểm chuẩn BOD tại hồ Cơ Khí
Hình 3.28. Kiếm chuẩn BOD tại chuỗi hồ Bình Minh

Hình 3.29. Kiểm chuẩn DO tại hồ Triển Lãm vào các ngày thứ 20, 77 và 140
Hình 3.30. Kiểm chuẩn DO tại hồ Triển Lãm vào ngày thứ 194,265 và325

Hình 3.31. Kiểm chuẩn DO tại hồ Bình Minh vào các ngày thứ 20, 77 và 140

Hình 3.32. Kiểm chuẩn DO tại hồ Bình Minh vào ngày thứ 194,265 và 325

97
98

98
98

99
99

99

99

Hình 3.33. Kiểm chuẩn DO tại hồ Cơ Khí vào các ngày thứ 20, 77 và 140
Hình 3.34. Kiểm chuẩn DO tại hồ Cơ Khí vào các ngày thứ 194, 265 và 325

100
100

Hình 4.4. Mơ phỏng Phospho trong chất vần

103

Hình 4.1. Mơ phỏng nồng độ Carbon trong thực vật phù du
Hình 4.2. Mơ phóng phospho trong thực vật phù du
Hình 4.3. Mơ phỏng Carbon trong chất van

Hinh 4.5. M6 phong Carbon trong thuc vat đáy

Hinh 4.6. Mo phong Phospho trong thuc vat đáy
Hinh 4.7. M6 phong Phospho trong tram tích đáy

102
103
103
103

103
104

Hình 4.8. Mơ phỏng Phospho trong trầm tích đáy bị khống hố

104

Hình 4.10. Mơ phỏng tổng Phospho nước trong hồ

104

Hình 4.9. Mơ phỏng Phospho vơ cơ trong nước hồ

104

Hình 4.11. Mơ phỏng giá trị DO 'TB ngày và TB giờ trong hồ Triển Lãm
Hình 4.12. Mơ phỏng giá trị DO TB ngày và TB giờ trong hồ Bình Minh
Hình 4.13. Mơ phỏng giá trị DO TB ngày và TP giờ trong hồ Cơ Khí

104
105
105

Hình 4.15. Mơ phỏng nồng độ BOD trong chuỗi hồ

105

Hình
Hình
Hình
Hình

108
108
108
109

Hình 4.14. Mơ phỏng giá trị DO trung bình ngày trong chuỗi hồ

Hình 4.16. Mơ phóng carbon trong TVPD

4.17.
4.18.
4.19.
4.20.

Mơ
Mơ
Mơ
Mơ

phỏng

phỏng
phỏng
phỏng

DO trong hồ
BOD trong hồ
Phospho vơ cơ trong hồ
tổng Phospho trong hồ

Hình 4.21. Biến đổi BOD trong chuỗi hồ Bình Minh

Hình 4.22. Biến đổi Phospho vơ cơ trong chuỗi hồ Bình Minh
Hình 4.23. Biến đổi Phospho tổng trong chuỗi hồ Bình Minh
Hình 4.24. Sơ đồ tổ chức quản lý và khai thác hồ

Hình 4.25. Các yếu tố cần được kiểm sốt

Hình 4.26. Hệ thống cống kiểm sốt dịng thải
Hình 4.27. Sơ đồ ngun tắc xử lý nước thải trước khi xả ra hồ

105

108

111

II]
111
114

116

117
118


VỊ

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang

Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bang

1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
2.1.

Nguồn bổ cập và tiêu thụ ôxi trong hồ
Hệ số tắt đần do các yếu tố khác của một số loại tảo
Phân loại trạng thái dinh dưỡng của hồ
Một vài quá trình phân huy chất hữu cơ
Cac biến số trong mơ hình

34

37
4I
45
68

Bảng 2.2. Số liệu đầu vào

68

Bảng 2.3. Giá trị giới hạn và mặc định của các hệ số trong mơ hình

69

Bảng 2.4. Các thơng số sẽ được hiệu chỉnh

71

Bang 3.1. Dan s6 va mat d6 d4n s6 trong khu vuc nghién ctru
Bang 3.2. Đặc điểm hình thái hồ và lưu vực thốt nước

77
81

Bảng 3.3. Tình trạng sử dụng các loại xí và nơi xả thải

82

Bảng
Bảng
Bảng

Bảng
Bảng
Bảng

82
83
83
84
85
9]

3.4.
3.5.
3.6.
3.7.
3.8.
3.9.

Lưu lượng nước thải xả vào các hồ
Tiêu chuẩn xã thải
Chất lượng nước sau một số bể tự hoại
Chất lượng nước thải từ Cống Trắng
Nồng độ chất dinh dưỡng trong nước cuốn trơi bề mặt
Các biến số trong mơ hình

Bang 3.10. Các số liệu đầu vào

92

Bang 3.11. Cac hé số mặc định từ các nghiên cứu trước đây sẽ được sử dụng

93

Bảng 3.12. Các hệ số sau khi hiệu chỉnh

95


VI

DANH MUC CAC CHU VIET TAT, CAC KY HIEU
CEETIA
CLN
CHC
DBSH
DHXD
DVPD
DK
GTCC
HTTN
HST
ICC
KTTV
TB
TCCP
TN
TP
TVD
TVPD
XLNT

BArc

C
Cdv
Ctd
Ctv
Cv
DO

DONr
D Orunoft

Ev
F(hồ)
F(ưu) vực)
H

Jy

kp

: Trung tâm Kỹ thuật Môi trường Đô thị và Khu công nghiệp
: Chất lượng nước
: Chất hữu cơ

: Đồng bằng Sông Hồng
: Đại học Xây dựng
: Động vật phù du

: Điều kiện

: Giao thơng cơng chính

: Hệ thống thốt nước

: Hệ sinh thái
: Công ty Xây dựng Đông Dương

: Khí tượng thuỷ văn

: Trung bình

: Tiêu chuẩn cho phép

:
:
:
:

Thốt nước
Thành phố
Thực vật đáy
Thực vật phù du

:
:
:
:

Carbon
Carbon trong động vật phù du
Carbon trong thực vật đáy
Carbon trong thực vật phù du

: Xử lý nước thai
: Sinh khối tối thiểu của TVĐ trên một đơn vị diện tích

: Carbon trong chất vấn

: OXxI hoà tan
: DO trong nước thải

: DO trong nước cuốn trôi bề mặt

: Lượng nước bốc hơi

: Diện tích mặt thống của hồ

: Diện tích lưu vực thốt nước mưa
: Độ sâu hồ

: Cường độ ánh sáng tại bề mặt

: Cường độ ánh sáng bão hoà đối với thực vật đáy

: Hệ số chuyển đổi giữa ôxi và carbon

:
:

:
:
:
:

Hệ số quan hệ giữa tốc độ tiêu thụ ĐVPD& sinh khối của TVPD
Hệ số quan hệ giữa tốc độ tiêu thụ và sinh khối của TVPD
Hệ số tắt dần ánh sáng do TVPD
Hệ số kể đến sự tăng BOD do TVPD
Một phần hai hệ số bão hoà của P đối với thực vật phù du
Tốc độ phân huỷ chất hữu cơ trong hồ

: Hệ số tốc độ tiêu thụ ôxy trong quá trình hô hấp sinh học

: Hệ số tốc độ khoáng hoá bùn ở 20°C trong điều kiện o xy hố

:1/2 hệ số bão hồ của hàm giới hạn P đối với sự phát triển TVĐ

: Hệ số tốc độ hô hấp của ĐVPD


Vill

: Hệ số tốc độ khuếch tán ôxy vào nước
: Tốc độ lắng BOD trong hồ

: Hệ số tốc độ hoà nhập P từ bùn vào nước ở 20°C
: Fốc độ yêu cầu ôxi của bùn đáy

: Hệ số tốc độ ơxy khi khống hóa chất vấn

: Hệ số tốc độ chết của ĐVPD
: BOD (nhu cầu o xy sinh hố)

: BOD trong nước thải
: BOD trong nước cuốn trơi bề mặt

L unoit

N
P
Pdv

:
:
:
:

PNr

: Hàm lượng P cố định trong thực vật đáy
: P trong nước cuốn trôi bề mặt
: Phospho tổng

PPtd
P runoff

Pt
Ptt
Ptv

PtVinax
PtVinin

Pvc

NHơ
Phospho
Phospho trong động vật phù du
Phospho trong nước thải

: Phospho trong bùn đáy
: Phospho trong thực vật phù du

: Hệ số tỉ lệ tối đa của P trong TVPD
: Hệ số tỉ lệ tối thiểu của P trong TVPD

: Phospho trong chất vấn

: Phospho vơ cơ

: Tiêu chuẩn thốt nước
: Cường độ mưa

: Nhiệt độ
: Dung tích của hồ

: Hiệu xuất tiêu hoá (đồng hoá) của ĐVPD
: Tốc độ tiêu thụ P của TVPD

: Hệ số tỉ lệ TVPD chết và bị
: Hàm lượng P cố định trong
: Cường độ ánh sáng bão hoà
: Hệ số tốc độ tăng trưởng tối

khoáng hoá ngay lập tức
ĐVPD
của TVPD ở 20°C
đa của thực vật phù du ở 20°C

: Hệ số ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sự phát triển của TVĐ

:
:
:
:

Tốc độ tăng trưởng của TVĐ ở 20°C
Hệ số tốc độ chết của TVPD trong điều kiện dinh dưỡng tối ưu
Tham số nhiệt độ đối với q trình khống hố chất van
Hệ số tốc độ lắng của chất vấn ở mực nước nông

: Tham số kể đến sự ảnh hưởng của t° đối với tăng trưởng của VPD
: Hệ số t° của hàm cường độ ánh sáng đối với sự phát triển TVPD

: Hệ số ảnh hưởng của nhiệt độ đối với tốc độ chết của TVĐ
: Tốc độ chết của TVĐ ở 20°C

: Hệ số nhiệt độ đối với quá trình khống hố bùn
: Hệ số tốc độ khống hố tối đa của chất vấn ở 20°C

: Hệ số tốc độ lắng của TVPD

: Hệ số tốc độ tiêu thụ TVPD lớn nhất bởi ĐVPD ở 20°C
: Tham số nhiệt độ đối với tốc độ tiêu thụ TVPD


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Các nền văn minh trên thế giới đều gắn liền với lưu vực các con sông lớn. Tại
Việt Nam cũng vậy, nền văn minh Sông Hồng gắn với đồng bằng Sông Hồng
(ĐBSH). Tại đây, q trình hình thành và phát triển đơ thị gắn liền với việc sử
dụng và khai thác nguồn nước. Hơn nữa, do nằm ở địa hình thấp,
ầm, mưa nhiều nên

đối cao, chiếm

thời tiết nóng

tỉ lệ diện tích kênh, hồ trong các đơ thị thuộc ĐBSH tương

10 -15% diện tích đất đơ thị. Chúng nối với nhau và hình thành

nên hệ thống kênh hồ, tạo nên khung sinh thái đô thị với chức năng thống nhất.

Trong không gian đô thị, hệ thống kênh hồ nói chung và hồ nói riêng khơng
những là nơi tiếp nhận, điều hồ, tiêu thốt và xử lý nước thơng qua q trình tự
làm sạch, mà cịn là nơi vui chơi, giải trí, tạo cảnh quan mơi trường và điều hồ
khí hậu cho đơ thị.
Tuy nhiên, do q trình đơ thị hố, lượng nước thải khơng qua xử lý xả trực tiếp
xuống hồ tăng nhanh, cùng với việc buông lỏng quản lý, hồ biến thành không

ølan công cộng cho các hành vi lấn chiếm, xâm

hại. Hệ sinh thái trở nên mất ồn

định, các hồ trở nên quá tải và lão hoá.
Trong giai đoạn hiện nay, kinh tế của đất nước đã bước sang thời kỳ tăng trưởng

ồn định, yêu cầu phát triển đồng bộ và bền vững đối với các đô thị đang được đặt
ra. Trong đó, việc khơi phục, giữ gìn và phát huy vai trò của hệ thống hồ là một
trong những vấn đề đang được quan tâm và ưu tiên thực hiện. Các qui hoạch phát

triển không gian đô thị đều lấy kênh hồ là yếu tố trung tâm. Các dự án thoát và xử
lý nước thải đang trong giai đoạn chuẩn bị đầu tư tại hầu hết các tỉnh thành đều
xác định kênh, hồ là bộ khung của hệ thống.
Trong bối cảnh như vậy, việc nghiên cứu về hồ đô thị, cụ thể là quá trình biến đổi
chất lượng nước (CLN) và mơ hình dự báo chất lượng nước là u cầu bức thiết
nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho việc qui hoạch đơ thị, triển khai các dự án về

thốt nước, xử lý nước thải, kiểm soát nguồn nước và phục vụ công tác quản lý,
nghiên cứu về môi trường nước.


2. Mục đích nghiên cứu
1. Xác định các đặc điểm chung, các yếu tố đặc trưng về hình thái, chất lượng

nước, điều kiện tự nhiên và các quá trình sinh thái trong hồ đơ thị.
2. Thiết lập mơ hình chất lượng nước cho các hồ đô thị thuộc ĐBSH trên cơ sở
thiết lập mơ hình cho hồ đơn bằng việc kết nối các mơ hình con. Sau đó chương

trình hố thành phần mềm ứng dụng kiểm soát chất lượng nước (CLN) hồ.

3. Xác định giá trị của một số hệ số đặc trưng cho quá trình biến đổi CLN,
nhằm nâng cao độ chính xác của mơ hình trong điều kiện hồ đô thị thuộc ĐBSH.

4. Đề xuất biện pháp quản lý tổng hợp CLN hồ đô thị trên cơ sở kết quả ứng
dụng mơ hình kiểm sốt CLN chuỗi hồ Bình Minh, TP. Hải Dương.
3. Nội dung nghiên cứu

Với mục đích đề ra của luận án, Chúng tơi triển khai các nội dung nghiên cứu
sau:
=

Tong quan cdc nghién citu vé m6 hinh CLN hé trong và ngoài nước

- Đánh giá ưu nhược điểm, mức độ phù hợp của các mô hình với xu hướng phát
triển hiện nay và điều kiện thực tế tại Việt Nam.
- Xác định các mơ hình cơ sở, phục vụ cho việc thiết lập mơ hình CLN hồ đô thị
thuộc DBSH.

s . Thu tháp số liệu, phác hoa bức tranh về hồ đô thị thuộc ĐBSH
- Điều kiện tự nhiên, hình thái hồ, nguồn gây ơ nhiễm, chất lượng nước và công

tác quản lý. Trên cơ sở đó, đánh giá một số q trình biến đổi CLN đặc trưng.

- Ảnh hưởng của thời tiết, khí hậu và hình thái hồ đơ thị khu vực ĐBSH tới quá
trình biến đổi CLN.
- Xác định các yếu tố và quá trình biến đổi chất lượng nước đặc trưng cho hồ đơ

thị thuộc ĐBSH. Từ đó xác định chỉ tiêu chất lượng nước để xây dựng mơ hình và
mơ phỏng các q trình sinh thái.

= _ Thiết lập mơ hình CLN cho hệ thống hồ đô thị thuộc ĐBSH
- Xác định các mơ hình con mơ tả các q trình sinh thái đã lựa chọn và gia tri


của các hệ số mặc định trong mơ hình.

- Kết nối các mơ hình con để thiết lập thành mơ hình CLN cho hồ đơn trên cơ sở
quá trình cân bằng chất và vịng tuần hồn Carbon và Phospho trong hệ sinh thái

(HST) hồ.
- Thiết lập mơ hình CLN cho hệ thống hồ từ mơ hình hồ đơn.
"_

Hiệu

chỉnh

và kiểm chuẩn

mơ hình tại chuỗi hồ Bình Minh,

TP. Hai

Dương
- Nghiên cứu thực trạng, xác định các số liệu đầu vào cho mô hình, như là điều

kiện khí hậu, hình thái hồ và nguồn thải.
- Khao sat, lay va phân tích mẫu theo bốn mùa trong năm, xác định chuối số liệu
hiệu chỉnh.

- Chạy mơ hình, xác định chuỗi số liệu mơ phỏng.
- Hiệu chỉnh mơ hình, xác định các thơng số hiệu chỉnh nhằm đảm bảo mơ hình

phù hợp với điều kiện thực tế của hồ đô thị thuộc DBSH.
"

Đề xuất các biện pháp tổng hợp kiểm sốt CLN hồ đơ thị thuộc ĐBSH:

- Ứng dụng mơ hình kiểm sốt chất lượng nước chuỗi hồ Bình Minh theo các kịch

bản phù hợp với điều kiện kinh tế - xã hội.
- Trên cơ sở nghiên cứu điền hình tại chuỗi hồ Bình Minh, đề xuất giải pháp
quản lý tổng hợp hồ đô thị thuộc ĐBSH trên nguyên tắc lồng ghép các biện pháp

kỹ thuật, quản lý và tuyên truyền giáo dục, nhằm đảm bảo tính khả thi, phù hợp
với hồn cảnh thực tế của mỗi địa phương.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
".

Đối tượng nghiên cứu

- Các đặc trưng cơ bản của hồ đơ thị thuộc ĐBSH với nghiên cứu điển hình là
chuối hồ Bình Minh, thuộc thành phố Hải Dương.
- Mơ phỏng các yếu tố và quá trình biến đổi CLN đặc trưng trong hồ đô thị thuộc
ĐBSH (Quang hợp, hô hấp, bài tiết, lắng, chết, phân huy, hoà tan, khuếch tán Oxy
bề mặt, bay hơi) bằng mơ hình hố và xác định một số hệ số cơ bản của các q
trình đó.


*

Pham vì nghiên cứu

- Nghiên cứu và mơ phỏng một số yếu tố và quá trình sinh thái đặc trưng trong hồ
đơ thị thuộc ĐBSH.
Các

yếu tố chính:

BOD,

DO,

P, thực vật phù du (TVPD),

động

vật phù du

(ĐVPD), thực vật đáy (TVĐ), chất vấn, trầm tích đáy.
Các q trình sinh thái chính: Quang hợp, hơ hấp, bài tiết, lắng, chết, phân huỷ,
hồ tan, khuếch tán ơxy bề mặt, bay hơi.

- Mơ hình được thiết lập và được chuyển hoá thành phần mềm CLN dựa trên cơ
sở hệ thống hố và kết nối các mơ hình con thơng qua các yếu tố và q trình
sinh thái.
>. Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận án bao gồm:

Phương pháp kế thừa: Mơ hình được thiết lập trên cơ sở kế thừa và phát triển

các kết quả nghiên cứu trước đây. Ngoài ra, các số liệu quan trắc của các nghiên

cứu trước cũng đã được sử dụng để đánh giá trạng thái và biến đối chất lượng
nước hồ.

%

Phương pháp điều tra, khảo sát hiện trường va phân tích trong phịng thí

nghiệm: Phương pháp này được sử dụng khi nghiên cứu đô thi Hai Duong trong
q trình khảo sát, lấy và phân tích mẫu nhằm đánh giá quá trình biến đổi chất
lượng nước và hiệu chính mơ hình.

Phương pháp thống kê được sử dụng để xử lý số liệu về khí tượng thuỷ văn và
số liệu về chất lượng nước hồ.
Phương pháp thử dần: Được sử dụng để hiệu chỉnh mơ hình bằng cách thử
dần giá trị của các hệ số đến khi sai số giữa kết quả tính tốn và kết quả thực tế

nằm trong khoảng cho phép.
Phương pháp nội suy và ngoại suy được sử dụng để tính tốn chuỗi số liệu liên
tục. Phương pháp này được tự động hố tính tốn bằng chương trình VISSIM3.1.

%

Phương pháp tổng hợp và phân tích hệ thống được sử dụng trong mơ hình tốn

để nghiên cứu q trình sinh học và mơ hình hố chúng.


6. Những đóng góp mới

>

Phác hoạ bức tranh về hồ đô thị thuộc DBSH.

>

Xác định giá trị một số hệ số biến đổi CLN đặc trưng cho các hồ đô thị thuộc

ĐBSH:

hệ số tốc độ tiêu thụ Phốtpho của TVPD

(Vẹp);, hệ số tốc độ chết của

TVPD trong điều kiện dinh đưỡng tối ưu (u„); hệ số tốc độ lắng của chất van 6
mực nước nông („); và hệ số tốc độ phân huỷ chất hữu cơ trong hé (K,).

% Là mơ hình BOD-DO và phú dưỡng tổng hợp đầu tiên được thiết lập cho hồ
đơ thị thuộc ĐBSH. Mơ hình được thể hiện bằng ngơn ngữ lập trình VisSim 3.1

với sản phẩm là phầm mềm CLN hoàn chỉnh. Phần mềm là cơng cụ trợ giúp đắc
lực và tồn diện phục vụ công tác nghiên cứu và quản lý hồ đô thị ĐBSH.

Đã đề xuất mơ hình tổ chức bộ máy quản lý kênh hồ đô thị và các biện pháp
kiểm soát chất lượng nước.
7. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
%

Hiện nay, hầu hết các đô thị đang trong giai đoạn chuẩn bị triển khai dự án

thoát nước (TN) và xử lý nước thai (XLNT), phần mềm sẽ là cơ sở trợ g1úp việc
đánh giá khả năng chịu tải của hồ và lựa chọn phương án TN và XLNT tối ưu.
Hệ thống quan trắc môi trường nước ở nước ta chưa hồn chỉnh, chi phí quan
trắc rất tốn kém. Việc sử dụng phần mềm CLN sẽ giảm đáng kể chi phi quan trac.
+

Các biện pháp kiểm soát CLN đáp ứng kịp thời u cầu hồn thiện cơng tác tổ

chức và định hướng quản lý hồ đô thị trong giai đoạn hiện nay.

8. Bố cục của luận án
mx

Mo dau;

Chương lI: Tổng quan các mơ hình chất lượng nước và đặc điểm hồ đơ thị
thuộc ĐBSH.

+

Chương 2: Thiết lập mơ hình chất lượng nước hồ đô thị thuộc ĐBSH.

%

Chương 3: Hiệu chỉnh và kiểm chuẩn mơ hình trên cơ sở nghiên cứu biến đổi

chất lượng nước tại chuối hồ Bình Minh, TP. Hải Dương.

% Chương 4: Ứng dụng mơ hình kiểm sốt chất lượng nước chuỗi hồ Bình Minh

và đề xuất các biện pháp quản lý hồ đô thị
x

Kết luận.


Chương 1

TỔNG QUAN MƠ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC VÀ ĐẶC ĐIỂM HỔ ĐƠ

THỊ THUỘC ĐỒNG BẰNG SƠNG HỒNG
1.1. Vai trị, lịch sử phát triển và phân loại mơ hình chất lượng nước
1.1.1.

Vai trị của mơ hình CLN trong cơng tác quản lý nguồn nước

Theo chương trình mơi trường của liên hợp quốc (UNEP) [92], công tác quản lý

tổng hợp chất lượng nước (CLN) bao gồm 5 bước sau:
- Bước l: Xác định vai trò, chức năng và đặc điểm nguồn nước;
- Bước 2: Xác định các tiêu chí, lựa chọn các tiêu chuẩn áp dụng;
- Bước 3: Đánh giá hiện trạng chất lượng nước, các yếu tố tác động đến CLN;

- Bước 4: Đề xuất và lựa chọn các giải pháp kiểm soát chất lượng nước nhằm đáp
ứng các tiêu chí lựa chọn và các tiêu chuẩn áp dụng:
- Bước 5: Quan trắc chất lượng nước nhằm đánh giá hiệu quả kiểm soát, cũng như

xác định trạng thái và xu thế biến đối chất lượng nước.
Các bước của chương trình quản lý nguồn nước được cụ thể hố bằng chương
trình kiểm sốt tại Hình 1.1.

Kế hoạch thực hiện |‡———<<ẨNC cơ bản >
T

+

CLN chấp

a

† Xác định mục đích

nhan

>|

su dung

Ỷ

L

Kiểm
chạysốt
mơ CLN
hình và‘|

u cau CLN

|

—Ừ.
Tác động

CLN

K1
———
Các biện pháp giảm

TC

+

Thực hiện

|

-

\-—

|

Gay
moi
Chạy mơ hình

na

thiểu tác động

[

J¬

Ỳ

je

u cầu CLN

Yếu tố
kinh tế

6

Hình I.I. Sơ đồ chương trình quản lý chát lượng nước [67]

>


Từ chương trình trên cho thấy, mơ hình CLN được sử dụng tồn diện trong cơng

tác quản lý nguồn nước, bắt đầu từ khâu lập kế hoạch, đánh giá hiệu quả kiểm
soát, đảm bảo cho chất lượng nước ồn định lâu dài tới việc đánh giá các giải pháp
kiểm soát. Nói cách khác, mơ hình CLN là cơng cụ quản lý tối cần thiết, đảm bảo
tính tối ưu cho hệ thống quản lý tổng hợp nguồn nước. Đây cũng là lý do mơ hình

CLN đã có lịch sử phát triển lâu dài và được ứng dụng rộng rãi trên thế giới.

1.1.2. Lịch sử phát triển mơ hình CLN trên thế giới
Mơ hình CLN là một trong những cơng cụ quản lý nguồn nước một cách tổng
hợp và toàn diện, mang lại hiệu quả kinh tế cao. Trong những thập kỷ qua, mơ
hình chất lượng nước phát triển mạnh mẽ, từ phạm vi hẹp với độ tin cậy thấp tới
phạm vị rộng với độ tin cậy cao. Mơ hình CLN đã được ứng dụng rộng rãi trên
thế giới và bước đầu được quan tâm tại Việt Nam trong các lĩnh vực: dự báo ô

nhiễm, đánh giá xu thế biến đổi chất lượng nước, khai thác và sử dụng hợp lý
nguồn nước và là cơ sở khoa học trong việc bảo vệ tổng hợp nguồn nước, qui
hoạch đô thị và môi trường. Q trình phát triển mơ hình CLN có thể chia thành
các giai đoạn sau:

=

Giai đoạn đầu thế ky 20

Trong giai đoạn này do thiếu công cụ xử lý, các mô hình thường giới hạn ở dạng

tuyến tính với trạng thái đối tượng Ổn định.
Điển hình là mơ hình CLN

đầu tiên được Streeter-Phelps thiết lập 1925, mô

phỏng sự thay đổi các giá trị DO &BOD ở vùng hạ lưu với các nguồn thải điểm
trên dịng chảy sơng Ohio [86]. Mơ 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 hut oxy trong dòng chảy do sự phân hủy các chất hữu cơ.
Thập niên 30 - 50, mơ hình được 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 ơ nhiễm

trong dịng chảy. Các nghiên cứu tập trung vào các mối quan hệ giữa sự thay đổi
giá trị BOD& DO

trên các dòng chảy với các chế độ thủy lực khác nhau.

Kết quả đạt được trong giai đoạn này là các công thức thực nghiệm xác định giá
trị hệ số tốc độ hoà tan oxy, các số liệu thống kê về hằng số tốc độ phân huy các
chất hữu cơ trong các dịng chảy có chế độ thuỷ lực khác nhau.


"

Giai đoạn thập niên 60

Trong giai đoạn này công cụ máy tính ra đời (máy tính điện tử), các phương pháp

tính tốn được hồn thiện, cho phép tính tốn và xử lý các vấn đề mà trước đây
không thể giải quyết được. Hàng loạt các mơ hình nền tảng cho mơ hình phi
tuyến ra đời. Các mơ hình đã đề cập đến sự lan truyền trong dịng chảy của các
sơng rộng và vùng cửa sông.
Vấn đề được quan tâm trong giai đoạn này là giải quyết các bài toán nhiều chiều
với các vấn đề phức tạp hơn. Độ tin cậy của mơ hình được nâng cao do đã bổ

sung thêm các quá trình ảnh hưởng đến sự phân bố nồng độ các chất hữu cơ trong
dịng chảy như:

- Qúa trình lắng các chất lơ lửng và chat van.
- Qúa trình giải phóng các hợp chất từ lớp bùn đáy do q trình sinh hóa trong lớp
bùn đáy và các tác động cơ học giữa pha bùn và pha nước.

- Quá trình quang hợp và hơ hấp của hệ thực vật thuỷ sinh
Để ứng dụng vào thực tiễn, các nghiên cứu thực nghiệm đã xác định hằng số tốc

độ hoà tan ôxi và hệ số chuyền hoá các chất.
Với các lưu vực có chế độ thuỷ lực phức tạp, khả năng mơ phỏng cịn nhiều hạn
chế và độ tin cậy chưa cao.
Cuối những năm 60, mơ hình tiếp tục phát triển da dang hơn. Ngoài việc tập trung

đánh giá tác động của các nguồn điểm tới chất lượng nước, mơ hình bát đầu đề
cập đến hiệu quả kinh tế trong trong việc kiểm sốt chất lượng nước (Mơ hình của
Thomann và Sobal - 1964, Ravell- 1967...).

s . Giai đoạn thập niên 70
Trong giai đoạn này, vai trò khả năng tự làm sạch của nguồn nước (Khả năng
chuyển hoá chất bẩn nhờ sinh vật) được tâp trung nghiên cứu, mở ra một trang

mới về lịch sử phát triển mơ hình sinh thái. Trong đó, vấn đề phú dưỡng được
quan tâm nhiều nhất và chiếm vị trí quan trọng trong việc đánh giá và dự báo chất

lượng nước. Điển hình là các mơ hình của Chen [52], Chen và Orlob , Thoman và
Ditoro [88].


1925-1960 (Streeter-Phelps)
Vấn đề: nước thải không được xử lý
Chất ô nhiễm: BOD/DO
Ứng dụng: dịng chảy/cửa sơng (1 chiều)
Giới hạn: tuyến tinh, xa phan tan

Cách giải: giải tích

Tương ác với
Ơxy tự nhiên

CBOD

NBOD

1960-1970 (cơng cụ máy tinh)

Vấn đề: ơ nhiễm từ dịng phát thải sơ cấp
và thứ cấp

Chất ô nhiễm: BOD/DO
img dung:dong chay/cua sơng(1,2 chiều)
Giới hạn: tuyến tính, xả phân tán
Cách giải: giải tích số
1970- 1980 (5 nh học)

Vấn đề: Phú dưỡng
Chất ô nhiễm: dinh dưỡng
ứng dụng: hồ/dòng chảy/cửa sông
(1,2 chiều)

Giới hạn: phi tuyến, xa phân tán
Cách giải: giải tích số:
Tu 1980 (chat độc)

Các vấn đề: chất độc
Chất ô nhiễm: chất HC, kim loại nặng

Giới

hạn:

tương

tác các

ciữa các

pha

nước- rắn/ các mối tương tác trong chuỗi
thức ãn (hồ, dịng chảy, cửa sơng)
Giới hạn: tuyến tính, trạng thái can bang
tu giải
T32 tích
v2 sốĐA
Cách
giải:

«—w|e

‘$6

ved

si ——
m

$> 4
SORES OR AT a
we SEES
5200
X

been
G621, /0

Liên

“

—

a

Sinh vậtch bậc
Úc cao

-

Hình 1.2. Các giai đoạn phát triển mơ hình chất lượng nước
".

Giai đoạn tháp niên 80 đến nay

Từ thập miên 80 trở lại đây, mơ hình CLN tập trung vào mối quan hệ giữa các q
trình sinh thái. Mơ hình CLN trong giai đoạn này đã hoàn thiện hơn một bước với
độ tin cậy cao hơn, phạm vi ứng dụng đa dạng hơn. Điển hình trong giai đoạn này

là các nghiên cứu của các tác gia: Thomann va Mieller (1987) [89] da m6 hinh

hoá các ảnh hưởng của mối quan hệ giữa các loại phù du thực vật với các chất
dinh dưỡng trong dịng chảy đến chất lượng nước sơng; Law và Chalup (1990)
xây dựng

mơ hình CLN trên cơ sở nghiên cứu q trình quang hợp và hơ hấp của

tảo và đã được Brown bổ sung vào mơ hình QUAL2E

[47]; Ditoro và Fitzpatrick

(1993) tiếp tục phát triển, bổ sung thêm mối quan hệ giữa các sinh vật lớn tiêu


10

thụ (sinh vật tiêu thụ bậc I), sự chuyển hóa và tích lũy các chất dinh dưỡng.
Hiện tại, mơ hình CLN phát triển theo hướng nghiên cứu sự chuyển hóa, tích tụ
các chất hữu, dinh dưỡng...trong chuỗi thức ăn và mơ phỏng các qúa trình sinh
thái trong nước.

1.1.3. Phân loại mơ hình chất lượng nước
Việc phân loại mơ hình gặp rất nhiều khó khăn do các mơ hình CLN ln trong
trạng thái phát triển và hoàn thiện. Dựa vào lịch sử phát triển và các dạng mơ hình
đang được áp dụng, mơ hình CLN có thể phân loại một cách tương đối theo các
nội dung được trình bày sau đây.

1.1.3.1. Theo đối tượng nghiên cứu
Mơ hình CLN chủ yếu thiết lập cho ba đối tượng:

- Mơ hình chất lượng nước sơng: Mơ hình CLN sơng chủ yếu tập trung mơ phỏng
sự biến đổi chất lượng nước thơng qua q trình pha lỗng và xáo trộn. Các q

trình sinh thái và biến đổi CLN khác ít được đề cập hoặc chỉ đề cập như là yếu tố
phụ do đây không phải là q trình chính và ảnh hưởng của chúng tới CLN

là

không lớn. Trong những năm gần đây, với sự phát triển của cơng cụ máy tính, các
q trình sinh thái được bao qt rộng hơn. Điển hình là mơ hinh QUANIIE.
- Mơ hình chất lượng nước biển ven bờ: Cũng giống như mơ hình CLN sơng, loại
mơ hình này thường tập trung vào q trình pha lỗng và xáo trộn với tác nhân

chính là sóng. Trong những năm gần đây, cũng đã xuất hiện một số mơ hình sinh
thái đối với nước biển ven bờ, như mơ hình CLN vịnh Thái Lan của Karl Iver
Dahl-Madsen [67].

- Mơ hình chất lượng nước hồ: loại mơ hình này phát triển chậm hơn so với sông

và chưa thực sự phổ biến.
Khác với sông, hồ khơng có dịng chảy rõ ràng. Q trình xáo trộn chủ yếu do
gió và xảy ra ở lớp nước mặt. Quá trình tự làm sạch trong hồ phụ thuộc chủ yếu
vào các quá trình sinh thái trong hồ. Vì vậy, mơ hình CLN hồ chủ yếu mơ phịng
các q trình sinh thái diễn ra trong hồ. Tuỳ thuộc vào mục đích và u cầu, mơ

hình CLN hồ có thể mơ phỏng một hoặc nhiều, thậm trí tồn bộ q trình sinh
thái.


11

1.1.3.2. Theo ban chat cua qua trinh
Theo khía cạnh này, mơ hình CLN có thể phân thành ba loại chính sau:
- Nhóm mơ hình tính sự lan truyền, phân bố các chất ơ nhiễm trong dịng chảy
Loại mơ hình này mô phỏng sự thay đổi chất lượng nước theo thời gian và khơng
gian dịng chảy. Việc thiết lập mơ hình được dựa trên cơ sở các phương trình mơ
tả q trình lan truyền chất trong dịng chay: m6 hinh Qual I, II; Stream III...

- Nhóm mơ hình mơ phỏng sự hình thành chất lượng nguồn nước

Là các mơ hình mơ phỏng sự hình thành và thay đổi chất lượng nước, điển hình
cho nhóm này là mơ hình WSHMM,

MIKE SYSTEM... Loại mơ hình này được

thiết lập trên cơ sở ghép nối mơ hình thuỷ lực và mơ hình lan truyền chất. Chúng
mơ tả một cách tổng qt và tồn diện hơn về chất lượng nguồn nước và các yếu
tố ảnh hưởng. Hạn chế của loại mơ hình này địi hỏi số liệu đầu vào lớn, phức tạp.
- Mơ hình sinh thái:

Là loại mơ hình mơ phỏng các q trình sinh, hố, lý thơng qua q trình biến
đổi CLN. Mơ hình này thường áp dụng cho hồ và sơng có địng chảy yếu.

1.1.3.3. Theo mức độ đề cập tới các quá trình biến đổi chất lượng nước
- Mơ hình đơn (Simple model): \a m6 hinh chi dé cap tới một vài quá trình biến

đổi chất lượng nước độc lập. Các quá trình biến đổi chất lượng nước không được
xâu chuối và đặt trong hệ động. Loại mơ hình này đơn giản, độ tin cậy không

cao, chủ yếu dùng để dự báo ngắn hạn.

- Mơ hình tổng hợp (Complex model): là loại mơ hình khép kín và đề cập đồng

thời nhiều q trình biến đổi chất lượng nước. Mơ hình được thiết lập trên cơ sở
chuỗi thức ăn trong hệ sinh thái và xét trong hệ thống động.

Mơ hình này có độ

tin cậy cao, tuy nhiên phức tạp và đòi hỏi khát khe về số liệu đầu vào. Xu hướng

hiện nay là sử dụng mơ hình tổng hợp.
1.2. Tổng quan mơ hình chất lượng nước hồ
1.2.1. Tổng quan mơ hình chất lượng nước hồ trên thế giới

Mơ hình CLN sơng rất đa dạng, phong phú và đã được chuyền hoá thành phần
mềm ứng dụng rộng rãi trong công tác quản lý nguồn nước như phần mềm


12
CORMIX

(USEPA,

Fortran (USEPA,

(USEPA);

1990&1993);

1984); SWMM

Hé théng MIKE;

HSPF

(Hydrological

Simulation

(Storm Water Management

QUAL2E

va QUAL2E-uncas

Program

Model

); WAPS

(USEPA); WQRRS

(Water quality for River ). Cac mo hinh nay chu yéu tap trung vao qua trinh pha
loãng - xáo trộn, quá trình sinh hố khơng đề cập sâu. Đơi khi các mơ hình này

vẫn được áp dụng cho hồ nhưng độ tin cậy không cao.
Đối với hồ, do đặc điểm chế độ thuỷ lực khơng rõ ràng, q trình sinh thái là yếu
tố chính tác động tới q trình biến đổi chất lượng nước. Q trình xáo trộn trong

hồ ln được xem là hồn tồn (well mixing) [S8], [64], [S1]. Mơ hình CLN hồ

chủ yếu mơ phỏng các q trình sinh thái. Tuy nhiên, các quá trình sinh thái tại
mỗi hồ thường khác nhau. Vì vậy, phần lớn mơ hình CLN hồ được thiết lập cho

đối tượng cụ thể và chưa được chuyển hố thành phần mềm ứng dụng.
Mơ hình CLN hồ thường tập trung tới các yếu tố ảnh hưởng đến hệ sinh thái hồ
như yếu tố dinh dưỡng, chất hữu cơ, ơxi hịa tan, sự phát triển của

TVPD

và

ĐVPD....Chúng sẽ được đề cập cụ thể hơn trong các phần mục dưới đây.
1.2.1.1. Mơ hình ơxi hồ tan (DO) và nhu cầu ơxi sinh hố (BOD)

Ơxi hồ tan là chỉ tiêu cơ bản, giữ vai trò quan trọng trong hệ sinh thái hồ. Nồng
độ DO phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: q trình khuếch tán ơxi qua bề mặt,
q trình hơ hấp và quang hợp của thực vật phù du, thực vật bậc cao; quá trình
phân huỷ chất hữu cơ của vi sinh vat. Cac quá trình này thường rất phức tạp, ln

có quan hệ hữu cơ và chịu tác động đồng thời bởi nhiều yếu tố.
Ban đầu, các mơ hình chỉ dé cập tới q trình khuếch tán ôxi qua mặt và phân
hủy chất hữu cơ, vì vậy mơ hình này thường áp dụng cho cả sơng và hồ. Càng về
sau độ tin cậy của mơ hình càng được nâng cao do đề cập một cách đầy đủ hơn

các q trình bổ cập và tiêu thụ ơxi trong hồ.
"=

M6 hinh cua Streeter va Phelps (1925) [86]

Đây là mô hình thiết lập cho sơng Ohio, tuy nhiên mơ hình này khơng đề cập tới

dịng chảy. Chúng đồng thời được áp dụng cho cả sơng và hồ. Mơ hình mới chi
đề cập tới hai quá trình ảnh hưởng đến nồng độ DO và BOD trong nước, đó là:
q trình khuếch tán oxi bé mat va phan huỷ chất hữu cơ nhờ vi sinh vật.


13
“-

Mơ hình Dobbims (1964) [56]

Là mơ hình kế thừa và phát và phát triển mơ hình Streeter -Phelps. So với Streeter

-Phelps, mơ hình của Dobbins đã đề cập thêm sự tăng nồng độ BOD và DO trong
hồ do tương tác. Tuy nhiên, mơ hình vẫn chưa mơ tả được cơ chế của q trình
bảng phương trình tốn học. Ảnh hưởng của các q trình mới

chỉ được mơ

phỏng bằng một hằng số.
=

M6 hinh Dresnack va Robils ndm (1968),(vién dan theo Beck [45})

Mơ hình Dresnack và Robils đã phát triển lên một bước bằng việc tách bach quá
trình bổ sung DO do quang hợp, tiêu thụ DO do hô hấp và quá trình phân huỷ bùn
đáy. Đây là mơ hình có độ tin cậy cao nhất trong nhóm mơ hình đơn BOD-DO và
đang được ứng dụng rộng rãi trong việc dự báo ngắn hạn.

Như vậy, ban đầu mơ hình BOD-DO chủ yếu tập trung vào hai q trình chính là

khuếch tán ơxi bé mặt và phân huỷ chất hữu cơ. Để tăng độ tin cậy và mở rộng
phạm vi ứng dụng cho các vực nước khác, về sau các mơ hình đã đề cập thêm các
quá trình ảnh hưởng khác như quá trình quang hợp, hơ hấp và phân huỷ bùn đáy.
1.2.1.2. Mơ hình phú dưỡng đơn
Đối với hồ, phú dưỡng là đặc trưng nhất, phổ biến nhất và được quan tâm nhiều
nhất.

Theo Krenkel [70], phú dưỡng là nguyên nhân của sản lượng sinh khối sơ cấp
trong hồ tăng cao và là hậu quả của lượng dinh dưỡng tồn dư trong hồ lớn.

Nói

cách khác, khi lượng dinh dưỡng dư thừa, tảo sẽ hấp thụ, phát triển ồ ạt và chết
hàng loạt, gây nên tình trạng nước bị nhiễm bản lần thứ hai. Để mơ phỏng tình
trạng này, mơ hình phú dưỡng thường dùng chỉ tiêu Phospho (P) như là đạt lượng
đặc trưng [70].

Cũng giống như mơ hình DO-BOD, mơ hình P phát triển từ đơn giản đến phức
tạp và được thiết lập dựa trên sự cân bằng vật chất trong hồ. Theo JØngensen [66]
mơ hình phú dưỡng được chia làm hai loại: Mơ hình đơn giản (chỉ đề cập tới các
q trình hóa-lý) và mơ hình tổng hợp (tập trung vào q trình sinh thái).

Các mơ hình P đặc trưng cho các thời kì phát triển như sau:


14
®

M6 hinh Chapra (1975) [48]

Đây là dạng mơ hình P đơn giản nhất. Mơ hình mới chỉ đề cập tới lượng P mất đi

do quá trình lắng. Các quá trình tương tác khác chưa được đề cập.
s

Mơ hình của Lorensen (1976) [72]

Về cơ bản, mơ hình này giống như mơ hình của Welch, tuy nhiên Lorenzen đã đề
cập chi tiết quá trình thuy phân P liên kết trong bùn đáy. Mơ hình này tiếp tục
được phát triển theo hướng mơ phỏng q trình chuyển hóa P trong bùn nhằm bao

qt và chi tiết các yếu tố liên quan....
®

M6 hinh Welch(1986) [93]

Mơ hình đã dé cap thêm lượng bổ cập P từ bùn đáy. Tuy nhiên, quá trình này mới
chỉ được xem xét như là yếu tố bổ sung độc lập. Mơ hình chưa mơ phỏng được
mối quan hệ giữa P với các quá trình sinh thái trong hồ.

Theo quan điểm của Chapra và Raymond (1991) [50], mơ hình trên chỉ thích hợp
dự báo ngắn hạn mà khơng thích hợp cho dự báo dài hạn do mức độ giải phóng P

từ trầm tích đáy khơng Ổn định.
®

M6 hinh Digiano (1977) [55], Kamp (1977) [68]

Mơ hình đã kết nối từ mơ hình cơ bản của P theo ba hình thức chuyển hố. Đó là
q trình lắng, thuỷ hố P trong trầm tích và tái hoà nhập P vào nước. So với trước

đây, mơ hình này đã đề cập một cách tương đối đầy đủ q trình hố-lý diễn ra
trong pha bùn và nước.
Như vậy, mặc dù các mơ hình đơn ngày càng cụ thể hơn các quá trình biến đổi P

trong hồ, nhưng vẫn chưa mô tả được sự biến đổi và chuyển hố P trong hệ sinh
thái hồ (q trình bài tiết, chết của động vật phù du, quá trình tiêu thụ P của thực
vật phù du, thực vật bậc cao...). Vì vậy, độ tin cậy của loại mơ hình này chưa cao

và chủ yếu dùng để dự báo ngắn hạn.

1.2.1.3. Mơ hình phú dưỡng tổng hợp
Nhằm khắc phục nhược điểm của các mơ hình phú dưỡng đơn, những năm cuối
của thế kỷ 20, mơ hình phú dưỡng tổng hợp bát đầu phát triển. Cơ sở tiếp cận của
loại mơ hình này vịng tuần hồn carbon và phospho trong hệ sinh thái. Điển hình
là mơ hình của Chen [52] thiết lập cho hồ Dianchi của Trung Quốc, mơ hình của


15

JØgensen [65] thiết lập cho hồ GlumsøØ của Đức và mơ hình của viên thuỷ lực
Dan Mach (DHI) [53].
«

Mơ hình phú dưỡng của Chen [52] thông qua P và điệp lục tố

Mơ hình phú dưỡng của Chen nhằm mơ phỏng P hoạt tính (Othor phosphat), P

tổng, P liên kết và diệp lục tố. Với giả thiết hồ được xáo trộn hồn tồn (well
mixed), mơ hình đã được xây dựng trên trên ngun tắc vịng tuần hồn P trong

hồ với sự tham gia của thực vật phù du và đã mô phỏng được hai đại lượng đặc

trưng của quá trình phú dưỡng, đó là nồng độ P trong nước và mật độ TVPD
(thông qua nồng độ chlorophylla).

Điểm nổi bật của mô hình này là đã bao quát quá trình tiêu thụ P của TVPD và
hàng loạt các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp nên sinh khối như ánh
sáng, nhiệt độ và muối dinh dưỡng và các quá trình hoá lý (chết TVPD, lắng, tiêu
thụ của động vật phù du).
Tuy nhiên, mơ hình vẫn chưa dé cập được q trình trình ăn mồi của ĐVPD, các
chất vấn nổi hữu co (organic detritus) và động vật phù du.

" . Mô hình phú dưỡng thơng qua nồng độ Carbon trong TVPD của Viện thuỷ
lực Đan Mạch (Danish hydraulic Institufte - DH]) [S3]
Trong qúa trình quang hóa, thực vật phù du hấp thụ CO;, muối dinh dưỡng để

tổng hợp nên sinh khối của mình. Vì vậy, ngồi Chiorophya, Carbon trong
TVPD cũng là yếu tố đặc trưng cho TVPD trong nước. Trên cơ sở đó, DHI đã xây

dựng mơ hình mơ phỏng TVPD thông qua nồng độ Carbon trong TVPD với giả
thiết hồ được xáo trộn hồn tồn.

So với mơ hình của Chen Yuling, mơ hình này đã đề cập một cách khá tồn diện
và cụ thể các q trình tác động tới sự phát triển của TVPD. Đặc biệt là quá trình

động lực học phát triển của TVPD.
Hạn chế của mơ hình này là xem hồ như một thể đồng nhất. Mô hình chưa đề cập
tới quá trình tắt dần ánh sáng và hô hấp của TVPD...

=

Mo hinh phi duéng tổng hợp của JØgensen thiết lập cho hồ GlumsØ [6Š]

Mơ hình được thiết lập dựa trên vịng tuần hồn P trong hệ sinh thái. Mơ hình phú
dưỡng được mơ tả tại Hình 1.3.


9969%066G©$©Ằ©s4©$S%sxsGasbhq

=?

|
|

(2)

@)

P trong cal

Oi)

AN

™ chat van

(17)

@)

ăn có

an thit

| 92 NOY

P trong

Trâm tích

P trong ca

P trong tao QO)

“ON

Hypolimnion

ong

P trong ca

P trong
chất vấn

q SGenuesaecnedcaenuesneconesmeeckheaend

P hồ tan

An co

Ny

(2)

Thermocline

P trong ca

©

TO

Q

Soe

DFS

Epilimnion

=

D hồ tan

v

——'

©

~~
oa

Poo

ru

@)

.._a

16

P trong

DVPD

L6

[P da thuy hod ke

(11)

P có thể thuỷ hố

P cố định trong bùn

Hình 1.3. Mơ hình phú dưỡng của } Øgensen [65].
Trong đó: 1) q trình hấp thụ P hoạt tính của tảo; 2) q trình ăn mồi của cá ăn
có; 3) quá trình ăn mổi của TVPD; 4),5) quá trình ĐVPD của cá ăn thịt; 6) q

trình khống hố chất vấn; 7) quá trình chết của tảo; 8),9),10),11) quá trình bài
tiết, 12) quá trình trao đổi P giữa tầng mặt và tầng giữa; 13) quá trình lắng của tảo
giữa hai tầng mặt và tầng giữa; 14) quá trình lắng của chất vấn giữa hai tầng mặt
và tầng giữa; 15) quá trình hồ tan P hoạt tính từ bùn đáy vào nước; 16) quá trình
lắng chất vấn xuống bùn đáy; 17) quá trình lắng tảo xuống bùn đáy; 18) q trình

thuỷ hố P trong bùn đáy; 19), 20) khai thác cá; 21) P bổ cập từ nước mưa; 22) P
bổ cập từ nước thải; 23) nước ra khỏi hồ.
So với các mô hình trên, đây là mơ hình hồn chỉnh nhất và điền hình cho hồ. Mơ

hình đã bao qt hầu hết các q trình sinh thái thơng qua vịng tuần hồ P. Nói
cách khác, mơ hình là tập hợp các mơ hình đơn, mơ phỏng các q trình sinh thái
trong các tầng nước mặt, giữa, đáy, bùn đáy và mối liên hệ giữa chúng.

Mơ hình có thể sẽ phù hợp khi phát triển và ứng dụng mơ phỏng q trình phú
dưỡng tại các hồ đô thị của Việt Nam.