MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC - CHƯƠNG 1 pdf

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.