Nghiên cứu chất lượng nước và thủy động lực học Hồ Tây, Hà Nội bằng mô hình toán và khảo sát hiện trường

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2013. ISBN 978-604-82-0066-4
NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG NƯỚC
VÀ THỦY ĐỘNG LỰC HỌC HỒ TÂY, HÀ NỘI
BẰNG MÔ HÌNH TOÁN VÀ KHẢO SÁT HIỆN TRƯỜNG
Nguyễn Mạnh Đức
(1)
, Hoàng Thị Ngọc Anh
(1)
, Nguyễn Lê Trung
(1)
,
Nguyễn Thái Bình
(2)
, Dương Hải Thuận
(3)
, Vũ Đức Toàn
(3)
và Nguyễn Trung Việt
(3)
(1)
Sinh viên Trường Đại học Thủy lợi
(2)
Kỹ sư, Viện Kỹ thuật công trình, Trường Đại học Thủy lợi
(3)
Giảng viên, Trường Đại học Thủy lợi, email:



1. GIỚI THIỆU
Các hồ nước ngọt có vai trò quan trọng đối với

thủ đô Hà Nội, không chỉ tạo cảnh quan mà còn
góp phần điều hòa môi trường sinh thái. Tuy nhiên
dưới tác động của gia tăng dân số, hệ thống xử lí
nước thải không theo kịp đã ảnh hưởng đến chất
lượng nước trong các hồ trong thành phố Hà Nội
[1]. Để cải thiện và nâng cao môi trường sinh thái
tại các hồ này, bài toán nghiên cứu về chất lượng
nước được đặt ra. Tính đến thời điểm hiện tại, có
nhiều nghiên cứu được đưa ra và đề ra một số giải
pháp nhằm cải thiện sinh thái của hồ [2,3,4]. Tuy
nhiên, phần lớn các nghiên cứu mới chỉ xét đến các
yếu tố chất lượng nước mà chưa kể đến mối tương
quan giữa sinh thái và động lực học [3,4]. Bài toán
chất lượng nước kết hợp với động lực dòng chảy
đã được thực hiện nhiều trên thế giới và là xu
hướng chung hiện nay. Trong những năm gần đây,
một số tác giả đã bắt đầu tiến hành bài toán tổng
hợp đối với hồ Tây, tuy nhiên, có một số hạn chế
trong số liệu đầu vào bài toán: các số liệu đa phần
là giả định và có giá trị không đổi [2].
Với mục đích nghiên cứu quy luật biến đổi của
nước trong hồ thông qua mô hình động lực dòng
chảy kết hợp với ứng dụng mã nguồn mở FVCOM
(Finite Volume Coastal Ocean Model), nghiên cứu
được thực hiện với mục tiêu ban đầu là tiếp cận và
ứng dụngmô hình FVCOM, từ đó có thể mô phỏng
nhằm làm sáng tỏ chế độ dòng chảy và
đưa ra bức
tranh tổng thể về động lực và chất lượng nước của
hồ Tây. Kết quả thu được từ nghiên cứu này có thể

phục vụ các nghiên cứu trong thời gian tới,
2. KHU VỰC NGHIÊN CỨU
Hồ Tây là hồ nước ngọt thuộc địa phận quận
Tây Hồ, thành phố Hà Nội. Nằm ở phía Tây Bắc
của thủ đô Hà Nội. Phía Đông Nam của hồ Tây nối
liền với hồ Trúc Bạch. Quanh hồ là các khu dân
sinh với mật độ dân cư đông đúc. Hồ Tây nằm
trong khu vực nội thành, do vậy hồ chịu điều kiện
khí tượng thủy văn của Hà Nội. Hồ Tây là hồ nước
nông, nơi sâu nhất từ 2m đến 2,3m vào mùa khô.
Có dung tích chứa lớn và nằm ở vị trí quan trọng,
hồ Tây có khả năng tiêu thoát lượng nước mặt dư
thừa ở các khu vực lân cận, tránh ngập úng trong
mùa mưa bão. Ngoài ra, với cảnh quan đẹp và các
khu di tích nổi tiếng, nơi đây trở thành điểm đến
thu hút người dân trong và ngoài nước với các hoạt
động văn hoá du lịch diễn ra thường xuyên. Ven hồ
là sự đan xen giữa truyền thống như di tích đền
chùa có lịch sử lâu đời như Trấn Quốc, phủ Tây
Hồ…, làng cổ Nghi Tàm, Trích Sài, Võng Thị…
và hiện đại như công viên nước Hồ Tây, nhà hàng
nổi, khách sạn quốc tế…
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐO ĐẠC, KHẢO
SÁT CHẤT LƯỢNG NƯỚC Ở HỒ TÂY
Trong nghiên cứu này có 49 điểm khảo sát, bao
gồm các điểm gần bờ và xa bờ hồ Tây. Các điểm
đo và lấy mẫu được xác định vị trí bằng máy GPS
Garmin 72H. Các thông số chất lượng nước như:
nồng độ ôxy hòa tan (DO), nhiệt độ của nước (
0

C),
độ đục, độ dẫn điện, và độ pH tại hiện trường được
đo bởi máy WQC – 24 Portable Water Quality Me-
ter. Các mẫu được đưa về xử lý ngay tại phòng thí
nghiệm hóa nước Đại học Thủy Lợi. Kết quả phân
tích mẫu nước được thể hiện ở hình 1.
giúp
cho công tác quản lý và xử lý các khu vực ô nhiễm
tập trung trong hồ cũng như cải tạo chất lượng hồ
phục vụ đời sống dân sinh.

183

P3 P5 P8 P12 P15 P16 P17 P18 P19 P20 P25 P26 P29
0
10
20
30
40
50
mg
/l
(NH4)+ (NO2)- (NO3)- (PO4)3-
(NH4)+(B1) (NO2)-(B1) (NO3)-(B1) (PO4)3-(B1)

Điểm lấy mẫu
P3 P5 P8 P12 P15 P16 P17 P18 P19 P20 P25 P26 P29
0
10
20

30
40
50
mg/l
DO COD BOD5
DO(B1) COD(B1) BOD5(B1)

Điểm lấy mẫu
Hình 1. Kết quả phân tích mẫu nước hồ Tây
Hình 1 miêu tả kết quả phân tích mẫu chất
lượng nước tại 13 điểm, so sánh với tiêu chuẩn B1
có thể thấy tại thời điểm khảo sát, hàm lượng các
chất hữu cơ và vô cơ trong nước hồ khu vực lấy
mẫu tương đối cao, nhiều điểm không đạt tới giới
hạn trong cột B1. Gần như tại tất cả các điểm lấy
mẫu, nồng độ các chất có chứa NH
4
+
, NO
2
-
và
PO
4
3-
đều cao quá tiêu chuẩn B1. Có thể thấy rõ
nhất tại các vị trí gần bờ các giá trị đo được vượt
chuẩn gấp 2, 3 lần, thậm chí có 1 số điểm vượt gấp
10 lần như điểm. Quan sát trực tiếp tại khu vực
khảo sát, các khu vực trên có nhà hàng, quán bar

có cống xả thải trực tiếp ra hồ hoặc có nơi như
khách sạn Intercontinential đang được xây dựng.
Nước hồ tại những vị trí đó có màu xanh đậm, có
mùi tanh nồng và có váng. Như vậy các hợp chất
có chứa Nitrogen (N) và Phosphorus (P) có dư
lượng khá lớn, đây là điều kiện thuận lợi cho sự
phát triển của các loại tảo.
4. MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG CHO HỒ TÂY
Trong nghiên cứu này, chế độ thủy động lực
học của hồ Tây được mô phỏng bằng bộ chương
trình The Unstructured Grid Finite Volume Coastal
Ocean Model (FVCOM). FVCOM là một bộ
chương trình mã nguồn mở được phát triển bởi Đại
học Massachusetts – Dartmouth (UMASS-D), xây
dựng dựa trên lưới tính toán phi cấu trúc và các hệ
phương trình liên quan và đã được ứng dụng thành
công trong nhiều bài toán cửa sông và ven biển
trên thế giới [8, 9]. Các phương trình cơ sở sử dụng
trong mô hình FVCOM và được miêu tả trong hệ
toạ độ sigma, trình bày chi tiết ở [5]. Mô hình được
thiết lập và mô phỏng cho giai đoạn từ 15/09/2013
đến 30/09/2013. Từ kết quả tính toán mô hình,
nghiên cứu thu được một số kết quả như sau:


Hình 2. Kết quả mô phỏng trường dòng chảy tương ứng
tại lớp 0.5m và 1m lúc 12h ngày 29/9/2013


184

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Kết quả tính toán cho thấy diễn biến mực nước
phù hợp với điều kiện gió. Hình 2a cho thấy hướng
di chuyển của nước trên bề mặt ứng với chiều của
gió tại thời điểm tính. Từ đó có thể thấy ảnh hưởng
của gió lên dòng chảy khá lớn. Gió gây nên ứng
suất lên bề mặt tiếp xúc, kéo nước dồn về phía
Đông Nam của hồ. Thực tế khó có thể thấy được
bằng mắt thường sự thay đổi này do chênh lệch
mực nước chỉ vài centimet. Khi xuống lớp nước
phía dưới, ảnh hưởng đó có xu hướng giảm dần,
qua quan sát kết quả tính toán, các véc tơ vận tốc
ổn định hơn trên mặt, các xoáy nước được hình
thành hai bên bờ Đông Bắc và Tây Nam theo
hướng của gió.
[1]. Hoàng Cao Liêm (2013). Đô thị hóa ở Việt Nam:
Thực trạng và giải pháp. Tạp chí Kinh tế và Dự báo,
số 11/2013, tr.60.
[2]. Nguyễn Tất Thắng (2011). Mô phỏng, tính toán
dòng chảy và quá trình truyền tải, khuếch tán nước
thải ô nhiễm trong hồ. Tạp chí Khoa học về trái đất,
số 33(3), tr.369-376.
[3]. Nguyễn Thị Thu Thủy (2012). Diễn biến đa dạng
thành phần loài sinh vật của hệ sinh thái hồ Tây.
Luận văn thạc sỹ khoa học, Trường Đại học Khoa
học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.
[4]. Nguyễn Thị Hưởng (2011). Đánh giá diễn biến chất
lượng nước các hồ Hà Nội giai đoạn 2006-2010.
Luận văn thạc sỹ khoa học, Trường Đại học Khoa

học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.
5. KẾT LUẬN
[5]. FVCOM User Manual (2013). 4
th
Edition;
SMAST/UMASSD-13-0701.
Trong nghiên cứu này, một số kết quả khảo sát
hiện trường bằng các thiết bị của Phòng thí nghiệm
Hóa nước, Trường Đại học Thủy lợi bước đầu cho
thấy bức tranh về các đặc trưng về chất lượng nước
tại hồ Tây khá thấp và có nguy cơ bị suy thoái môi
trường. Mô hình toán hiện đại ba chiều bằng PP
PTHH, lưới linh hoạt phi cấu trúc cũng được sử
dụng trong nghiên cứu này nhằm bước đầu mô
phỏng chế độ thủy động lực ở hồ Tây.
[6]. Lê Quang Đạo (2008). Chất lượng nước Hồ Tây
sử dụng mô hình EFDC đánh giá chất lượng
nước và đề xuất một số giải pháp quản lý. Luận văn
thạc sỹ khoa học, Trung tâm Nghiên cứu Tài nguyên
và Môi trường.
[7]. Martin R. Perrow, Adrian J.D. Jowitt, Julia H.
Stansfield, Geoff L. Phillips (1999). The practical
importance of the interactions between fish, zoo-
plankton and macrophytes in shallow lake restora-
tion. Hydrobiologia, Volume 395-396, Issue 0 , pp.
199-210.
Tuy nhiên, do giới hạn về thời gian, hạn chế bởi
các số liệu đo đạc đã cũ về lưu lượng và chất lượng
các cống thải và các thông số về gió, nhiệt độ trực
tiếp tại hồ nên chưa thể hiệu chỉnh cũng như kiểm

chứng được các số liệu tính toán. Bên cạnh đó, vẫn
còn khó khăn và hạn chế vì chưa có bộ số liệu một
cách đồng bộ và liên tục về mực nước, các tham số
quan trọng của chất lượng nước nhằm hiệu chỉnh và
kiểm định mô hình. Hướng nghiên cứu tiếp theo của
các tác giả là sẽ sử dụng các thiết bị hiện đại và đồng
bộ để khảo sát hiện trường và mô phỏng chi tiết theo
cấu trúc không gian bằng mô hình FVCOM.
[8]. Tian R.C, Chen C., StokesburyK.D.E., Roths-
childB.J., CowlesG.W., Xu Q., Hu S., HarrisB.P.,
MarinoM.C.(2009). Modeling the connectivity be-
tween sea scallop populations in the Middle Atlantic
Bight and over Georges Bank. Mar. Ecol. Prog. Ser.
380:147-160.
[9]. Zheng, L.Y. and R.H. Weisberg (2010). Rookery
Bay and Naples Bay circulation simulations: Appli-
cations to tides and fresh water inflow regulation.
Ecological Modelling, 7, 986-996.


185