Báo cáo khoa học: "đánh giá và dự báo chất l-ợng n-ớc hồ tây bằng mô hình toán học" pptx

đ
ánh giá và dự báo chất lợng nớc hồ tây
bằng mô hình toán học


Ngô Quang Dự
Bộ môn Kỹ thuật môi trờng
Trờng Đại Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Bi viết ny trình by tóm tắt kết quả nghiên cứu đánh giá chất lợng nớc Hồ
Tây bằng mô hình toán học. Trên cơ sở đó đề xuất chiến lợc quy hoạch, bảo vệ v sử dụng
hợp lý nguồn ti nguyên quý giá ny đặc biệt l quản lý chất lợng nớc.
Summary: This paper briefs on the study results of an evaluation of the water quality of
the West Lake by mathematical modelling. Based on the findings, a strategy on protection and
sensible use of this valuable resource, especially water quality management, is put forward.

I. Đặt vấn đề
Hồ Tây là hệ sinh thái hồ nớc ngọt điển hình của đồng bằng Bắc Bộ, có vị trí, vai trò, giá
trị rất quan trọng với sự phát triển kinh tế - xã hội của thủ đô Hà Nội, là 1 trong 4 hồ của Việt
Nam đợc xếp vào danh sách những hồ nớc ngọt cần đợc bảo vệ trên thế giới. Hồ Tây đợc
coi nh nhà máy điều hoà khí hậu tiểu khu vực.
CT 2
Tuy nhiên, cùng với tốc độ phát triển mạnh mẽ và sâu sắc của quá trình đô thị hoá, công
nghiệp hoá, thì hệ thống sông, hồ của thủ đô Hà Nội đã và đang phải đối mặt với vấn đề ô
nhiễm môi trờng và Hồ Tây cũng không tránh khỏi. Hiện tại hồ đang bị ảnh hởng nghiêm
trọng do các quá trình đó, tại nhiều khu vực tình trạng nớc thải, rác thải ô nhiễm đổ vào hồ
ngày càng nhiều và cha có sự kiểm soát chặt chẽ, dẫn tới vợt quá khả năng tự làm sạch của
hồ đã làm cho hồ Tây ngày càng bị suy thoái. Do vậy cần phải có những nghiên cứu, biện pháp
quản lý và công nghệ phù hợp nhằm giảm thiểu xu thế suy thoái môi trờng đồng thời có chiến
lợc khai thác một cách hiệu quả và bền vững nguồn tài nguyên hồ phục vụ cho sự phát triển

bền vững.
Để thực hiện nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng một số phơng pháp sau đây: Phơng
pháp kế thừa, thống kê, phân tích, tổng hợp và đánh giá; phơng pháp thực nghiệm; phơng
pháp mô hình toán (phơng pháp mô phỏng) và phơng pháp xử lý số liệu.
II. Nội dung v kết quả nghiên cứu
1. Mô hình cân bằng nớc
1.1. Khái quát về mô hình
Phơng trình cân bằng nớc đợc viết dới dạng phơng trình vi phân nh sau:


=
dt
dV
dòng vào dòng ra tích luỹ
hay
r0eiP
Q)QQ()QQ(
dt
dV
++=
trong đó
: V - thể tích của hồ (m
3
);
Q
P
: lu lợng nớc ma (m
3
/ngày);
Q

e
: lu lợng nớc bốc hơi (m
3
/ngày);
Q
i
: lu lợng các nguồn thải cung cấp vào hồ (m
3
/ngày);
Q
o
: lu lợng nớc ra khỏi hồ (m
3
/ngày);
Q
r
: lu lợng nớc trầm tích trong hồ (m
3
/ngày).
Nếu ta xét trong khoảng thời gian (dt) nhỏ, khi đó thể tích hồ không thay đổi nhiều, do vậy
0
dt
dV
=
. Từ phơng trình tổng quát suy ra Q
r
= (Q
P
+ Q
i

) (Q
e
+ Q
o
)
1.2. Kết quả mô phỏng mô hình
Trên cơ sở những số liệu về điều kiện tự nhiên và đặc điểm của hồ Tây, ta dễ dàng tính
đợc:
Q
p
= 4,5 x 10
-3
x 5260000 = 23267 m
3
/ngày
Q
e
= 4,35 x 10
-3
x 5260000 = 22880 m
3
/ngày
CT 2
Q
i
= từ 3197 đến 6998 m
3
/ngày, trung bình là 5097 m
3
/ngày[5].

Và Q
r
= Q
o
+ Q
e
- Q
p
- Q
i
= 24820 m
3
/ngày với t = 0,5 năm.
Cân bằng nớc Hồ Tây mô phỏng lu lợng các dòng chảy vào, ra và tích luỹ trong hồ. Nó
ảnh hởng và tác động trực tiếp tới cân bằng của các chỉ tiêu chất lợng nớc hồ, các yêu tố
dinh dỡng trong hồ.
2. Xác định tải lợng của Photpho hồ Tây theo mô hình Vollenweider
2.1. Phơng trình xác định hm lợng P tổng số
Theo Vollenweider nồng độ P tổng số trong hồ có thể tính bằng công thức sau:
)1(Q
L
P
Ws
+
=
ở đó:
W
s
Z
q

=
và
A
J
L =

trong đó: P: nồng độ Photpho tổng số (g/m
3
);
L: tải lợng đơn vị photphat bề mặt trong một năm (gP/năm);
Q
s
: tải lợng thuỷ lực bề mặt (m
3
/m
2
.năm);

w
: thời gian lu thuỷ vực của nớc trong hồ (năm);
J: tổng lợng Photpho vào hồ hàng năm (g/năm);


A: diện tích mặt hồ (m
2
);
Z: độ sâu trung bình (m).
2.2. Các phơng trình biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ P tổng số v hm lợng
chlorophyll A, độ trong v nhu cầu tiêu thụ ôxy bề mặt đáy hồ.

Nghiên cứu chất lợng nớc hồ Tây giai đoạn gần đây áp dụng phơng pháp thực nghiệm
và hồi quy toán học đã xác định đợc một số quan hệ sau:
Mối quan hệ giữa nồng độ P và hàm lợng Chlorophyll A (mg/m
3
) trong hồ:
ChlA = 295 x C
p
0,66
(dạng tổng quát ChlA = a.C
p
b
)
Mối quan hệ giữa hàm lợng Chlorophyll A (mg/m
3
) với độ trong (S):
S = 6,5 x ChlA
-0,474
(dạng tổng quát S = a.ChlA
b
)
Mối quan hệ giữa tốc độ tiêu thụ oxy ở đáy hồ (D: gO
2
/m
2
.ngày) và nồng độ P tổng số
(Chapa và Canale, 1991): D = 0,086 x C
p
0,4789
(dạng tổng quát D = a.C
p

b
)
2.3. Phơng trình về sự thay đổi nồng độ P theo thời gian
Sử dụng phép phân tích tơng quan và hồi quy chúng tôi đã xác định mối quan hệ giữa
nồng độ Photpho tổng số biến thiên theo thời gian trong giai đoạn gần đây:
Y = a
x t
3
+ b x t
2
+ c x t + d
Y: hàm lợng P tổng số; t: thời gian (năm) và a, b, c, d là các hằng số.
3. Mô hình trao đổi Photpho ở Hồ Tây theo Jorgensen
CT 2
Chúng tôi áp dụng mô hình trao đổi Photpho của Jorgensen để mô phỏng cho hệ sinh thái
hồ Tây bao gồm các biến trạng thái sau
PS: Photpho ho tan trong nớc; PC: Photpho trong
tảo; PD: Photpho trong các mảnh vụn; PiN: Photpho trong kẽ nớc của trầm tích; PB: Photpho
có khả năng giải phóng từ nền đáy thông qua các quá trình sinh học v PE: Photpho có khả
năng trao đổi ở nền đáy
. Các mối quan hệ giữa chúng đợc mô phỏng bằng sơ đồ dới đây
(hình 1), ở đó mỗi một mũi tên là một quá trình và mỗi một quá trình và đợc biểu diễn bằng
những phơng trình toán học. Các quá trình chính trao đổi Photpho đợc mô phỏng gồm có:
Quá trình hấp thụ Photpho ho tan (PS) của thực vật nổi: (UP)
Quá trình Tảo chết đi tạo thnh mùn (INPUT 6)
Quá trình lắng đọng của xác Tảo tạo thnh lớp cặn đáy (INPUT5)
Quá trình lắng đọng của các mảnh vụn tạo thnh lớp cặn đáy (INPUT 7)
Quá trình phân giải Photpho trong các mảnh vụn thnh Photpho ho tan (INPUT 2)
Quá trình khoáng hoá vô cơ PE ở nền đáy (OUTPUT2)
Quá trình khuyếch tán Photpho ho tan trong kẽ nớc vo cột nớc (OUTPUT5)

Quá trình PE bị phân giải v giải phóng bởi các quá trình sinh học (OUTPUT4)

Quá trình Photpho đợc phân giải qua quá trình sinh học (PB) đợc giải phóng vo cột
nớc thông qua hoạt động của sinh vật (QBIO)


Quá trình PB đợc giải phóng vo cột nớc thông qua quá trình hoá học (QDSORP.AB)
PS
P
C
PD
PE
PI
Pzoo
UP
)1
F
1
(
CA
PC.CF.Z


f
PC.SA
PE.KE
QDIFF
CA
P
C

.CF.F

P fish
f
PC.SA

QDSORP
f
DP.SA
QBIO
Ngun
th
i
F2.P2
F3.P3
Ma
F4.P4
Lu
vực
SA.PC
KP.DP
Đ
iều khiển
sinh trởn
g

của Tảo
CA
PC.CZ.Z
PB

Hình 1. Sơ đồ các quá trình
chu chuyển của Photpho
trong các thnh phần











Sử dụng phần mềm Stella II, chúng tôi đã mô phỏng và tính toán sự biến thiên của từng
thành phần Photpho theo thời gian (hình 2), kết quả đợc trình bày trong hình 3 và 4 với giá trị
thông số cha hiệu chỉnh và sau khi hiệu chỉnh.

Hình 2. Cấu trúc mô hình trao đổi Photpho ở Hồ Tây
theo Jorgensen (mô phỏng bằng chơng trình Stella II)

CT 2
PS
PC
PiN
PE
PD
UP
QDIFF
INPUT2

INPUT6
INPUT5
INPUT7
OUTPUT2
PB
QSED
QDSORP
QBIO
INPUT1
OUTPUT1
PD
PS
Ipn
Cpp Ipl
T
D
FT4
DB
T
KDP10
T
DMU
Q
D
DB
FT6
V
AE
He1
PS

KE20
LUL
FP2
KE
AI
FP1
DMU
D
KP
FT2
PD
PC
OUTPUT3
UPmax
SA
SD
SVD
D
D
Q
V
FPAmax FT2
AB
FP1
PHYT
He2
D
DMU
FPAmin
FT2

FPA
DB
SA
T
SVS
MA


CT 2
ng số có sự biến thiên theo thời gian để kết quả
mô phỏng đợc gần với thực tế hơn.
Kết quả chạy mô hình với số liệu cha hiệu chỉnh: Do một số giá trị thông số trong mô hình
đợc sử dụng là giá trị cố định nên có sự sai lệch giữa kết quả mô phỏng và giá trị thực tế (hình
3), do vậy cần có sự hiệu chỉnh những giá trị thô
th so sỏnh kt qu mụ phng v thc t ca PO4
trong h
0
2
4
6
8
10
12
14
123456 789101112
Th i gian (thỏng)
nng PO4 (mg/l)
PO4, mụ
phng
PO4, thc

t

Hình 3. Đồ thị v biểu đồ biến thiên hm lợng Photpho khi cha hiệu chỉnh
Sau khi hiệu chỉnh số liệu kết quả chạy đợc thể hiện trong sơ đồ dới đây, kết quả cho
thấy giá trị mô phỏng và giá trị thực tế có sai số không lớn, do vậy có thể áp dụng phơng pháp
mô phỏng để đánh giá và dự báo sự biến thiên hàm lợng Photpho theo thời gian (hình 4).
15:13 25/04/200
7
0.00 3.00 6.00 9.00 12.0
0
Months
5:
0.00
0.00
0.00
0.00
1:
1:
1:
2:
2:
2:
3:
3:
3:
4:
4:
4:
5:
5:

0.00
0.05
0.10
0.10
0.20
0.50
1.00
0.03
0.05
0.25
0.50
1: PB 2: PC 3: PS 4: PD 5: PiN
1
1
1
1
2
2
2 2
3
3
3
3
4
4
4
4
5
5 5
5

Graph 1

th so sỏnh kt qu mụ phng PO4 v
thc t H Tõy
0.5
2
2.5
3
N O4 (mg/l
)
PO4, mụ
phng
1.5
P
1
ng
PO4, thc t
0
123456789101112
Thi gian (thỏng)

Hình 4. Đồ thị v biểu đồ biến thiên hm lợng Photpho khi hiệu chỉnh số liệu
4. Thảo luận
Một trong những nhợc điểm của mô hình hoá là lợng thông tin, số liệu cần cho mô hình
là tơng đối nhiều. Số liệu càng nhiều và càng chính xác thì độ tin cậy của mô hình càng cao,
do vậy vấn đề đảm bảo thông tin phải đợc coi trọng. Do vậy phải xây dựng đợc hệ thống và
chơng trình quan trắc ở hồ Tây bao gồm (cần phải tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu mà có
những thay đổi):
thông số quan trắc, tần suất quan trắc v địa điểm quan trắc. Để áp ứng yêu
cầu phân tích và dự báo thì quan trắc số liệu phải đảm bảo

tính liên tục, thống nhất về địa điểm
v đảm bảo về phơng pháp.

Cần có một chơng trình nghiên cứu quy hoạch tổng thể và chi tiết về sử dụng, khai thác
và quản lý khu vực hệ sinh thái hồ Tây phục o phát triển bền vững.
vụ ch



CT 2
Hiện tại ô hình có số
biến
ả thu
đợc là đáng tin cậy.
III. Kết luận
Các thông số chất lợng nớc của hồ trong những năm qua cho thấy hồ đang ở mức ô
nhiễm nhẹ, một vài chỉ tiêu đã vợt quá giới hạn cho phép nh Nitơrat, Coliform, và có xu
hớng ngày càng tăng. Ô nhiễm ở hồ Tây mang tính cục bộ rõ rệt, khu vực ven hồ và gần các
cống thải có mức độ ô nhiễm nặng hơn.
Các nguồn thải chính của Photpho vào hồ Tây là từ các cống thải, lu vực và từ khí quyển,
nhng quan trọng nhất là khoảng 90% lợng Photpho là từ các cống thải xung quanh đổ trực
tiếp xuống hồ mà cha qua xử lý. Bằng m h của Vollenveider đã cho thấy lợng Photp o
thải vào hồ c phát triển
(OECD) về mức độ dinh dỡng của các hồ nớc ngọt nhiệt đới thì hiện tại hồ Tây đợc xếp vào
dạng dỡng, lợng Photpho có xu hớng tăng lên theo thời gian, do đó đã gây ra
hiện
[1]. H
rần Đức Hạ. Chất lợng nớc sông hồ và bảo vệ môi trờng nớc. NXB Khoa
học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004.
on. Thiết lập mô hình kiểm soát chất lợng nớc hệ thống hồ đô thị thuộc đồng bằng

sông Hồng. Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Trờng Đại học Xây dựng Hà Nội, 2005.
n học mô phỏng hệ sinh thái hồ (lấy hồ Tây làm ví dụ).
Hội thả
có nhiều mô hình mô phỏng chất lợng nớc của nhiều tác giả, mỗi m
trạng thái và có điều kiện biên khác nhau nên sẽ có hiệu quả khác nhau. Đề tài đã kết hợp
mô hình tính tải lợng Photpho của Vollenweider và mô hình của Jorgensen đã mô phỏng đợc
hầu hết các biến trạng thái và các quá trình xảy ra trong hệ sinh thái hồ, do vậy kết qu
ô hìn h
đã vợt quá tải lợng cho phép, theo tiêu chuẩn của tổ chức các nớ
hồ giàu dinh
tợng sự phát triển mạnh mẽ gây mất cân bằng của các loài thực vật nổi.
Kết quả mô phỏng sự trao đổi Photpho theo mô hình Jorgensen ở hồ Tây cho thấy hồ đang
ở trong tình trạng giàu dinh dỡng, do vậy hiện tợng phú dỡng xảy ra là điều không thể tránh
khỏi, nếu không có biện pháp can thiệp kịp thời thì hậu quả của nó sẽ làm suy giảm vai trò,
chức năng của hồ, thậm chí có thể dẫn đến con đờng suy vong, đó quả thật là một thảm kịch
mà chúng ta không hề mong muốn nhng có thể sẽ xảy ra.

Tài liệu tham khảo
ồ Thanh Hải, Nguyễn Khắc Đỗ. Các nguồn dinh dỡng ngoại lai từ vùng lu vực đến hồ Tây. Tuyển
tập các công trình nghiên cứu Sinh thái và Tài nguyên Sinh vật. Nhà xuất bản Nông nghiệp Hà Nội, 2001.
[2]. Lu Lan Hơng, Ngô Quang Dự, Trơng Tuấn Anh. Đánh giá sự phú dỡng hồ Tây, Hà Nội bằng mô
hình toán tính tải lợng và hàm lợng Phốt pho. Tuyển tập công trình "Những vấn đề nghiên cứu cơ bản
trong khoa học sự sống 2005. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2005.
[3]. Nguyễn Xuân Nguyên, T
[4]. Nguyễn Đức T
[5]. Hong Dơng Tùng. Sử dụng công cụ toán học đánh giá khả năng chịu tải ô nhiễm của Hồ Tây để xây
dựng kế hoạch bảo vệ và phát triển Hồ Tây trong tơng lai. Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, trờng Đại học Bách
khoa Hà Nội, 2004.
[6]. Phạm Hùng Việt, Ngô Quang Dự. Mô hình toá
o toàn quốc về Môi trờng và Phát triển bền vững. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004.

[7]. Steven C. Chapra. Surface Water-Quality Modeling. The McGraw-Hill Companies, Inc, 1997.
[8]. Jorgensen. S.E. Application of Ecological Modelling in Evironment Management, part A. Elsevier
Scientific Publishing Company, Amsterdam, 1983
Ă