Sử dụng phần mềm MIKE 21 đánh giá chất lượng nước khu vực cửa sông bạch đằng và đề xuất các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường tại khu vực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ HỒNG VÂN

SỬ DỤNG PHẦN MỀM MIKE 21 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC
KHU VỰC CỬA SÔNG BẠCH ĐẰNG VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP
GIẢM THIỂU Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG TẠI KHU VỰC
Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Trịnh Thành

HÀ NỘI - 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào
khác.
Tôi xin cam đoan những tài liệu trích dẫn, các thông tin và tài liệu tham khảo tôi sử
dụng đã được các cơ quan, cá nhân sở hữu cho phép.
Xin cam đoan phần Mềm Mike 21 tôi sử dụng là phần mềm có bản quyền được
Trung tâm thí nghiệm trọng điểm quốc gia Thủy Lợi cho phép.


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội, Viện sau đại học, Viện khoa học Công nghệ Môi trường đã tạo điều kiện

cho tôi được học tập, nghiên cứu tại Trường. Cám ơn các Thầy, cô giáo đã trực tiếp giảng
dạy, truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt thời gian học thạc sỹ khoa học ngành kỹ thuật
môi trường.
Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy hướng dẫn - Tiến sĩ Trịnh Thành đã tận
tình dạy dỗ, hướng dẫn và giúp đỡ tôi từng bước hoàn thiện đề tài nghiên cứu và hoàn
thiên luận văn của mình.
Có được thành quả này, cũng là nhờ phần lớn sự giúp đỡ tận tình của cá nhân, tập
thể cán bộ và chuyên gia thuộc Viện Tài nguyên và Môi trường biển Hải Phòng, Cám ơn
thạc sĩ Nguyễn Thành Luân - Trung tâm thí nghiệm trọng điểm quốc gia Thủy Lợi đã hỗ
trợ, tạo điều kiện và giúp tôi hoàn thành luận văn.
Xin gửi lời cám ơn đến gia đình đã hỗ trợ kinh phí cho tôi được học tập và nghiên
cứu trong suốt những năm qua, cám ơn bạn bè người thân đã luôn ở bên ủng hộ và động
viên để tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập của mình.
Mặc dù Tác giả đã nỗ lực và cố gắng rất nhiều, nhưng với vốn kiến thức chuyên
môn còn mỏng, cùng với thời gian nghiên cứu không nhiều nên luận văn nghiên cứu vẫn
còn nhiều thiếu sót, Tác giả rất mong được Thầy cô, bạn bè và các chuyên gia góp ý để
có thể hoàn thiện hơn trong thời gian tiếp theo.
Xin chân thành cảm ơn
Tác giả luận văn.


MỤC LỤC
MỤC LỤC.........................................................................................................................
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..............................................................................................
DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................................
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................................................................
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU ............................................................................................................... 3
1.1 Hiện trạng ô nhiễm môi trường nước ............................................................. 3

1.1.1 Hiện trạng ô nhiễm môi trường nước Thế giới ................................................ 3
1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm môi trường nước ở Việt Nam........................................... 5
1.1.3 Tình hình ô nhiễm môi trường nước vùng cửa sông Bạch Đằng ..................... 7
1.2 Quản lý môi trường nước bằng phương pháp Mô hình hóa ............................ 9
1.2.1 Phương pháp mô hình hóa trong nghiên cứu và quản lý môi trường ............... 9
1.2.2 Một số mô hình quản lý chất lượng nước trên Thế giới................................. 12
1.2.2.1 Mô hình EFDC (Mỹ) ............................................................................... 12
1.2.2.2 Mô hình Delft3D-WAQ (Hà Lan) ......................................................... 13
1.2.2.3 Cơ sở lý thuyết của mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 15
1.2.2.4 Mô hình MIKE21 (Đan Mạch) .............................................................. 18
1.2.3 Quản lý chất lượng nước bằng phương pháp mô hình hóa ở Việt Nam......... 21
1.2.4 Lựa chọn mô hình ứng dụng trong đề tài nghiên cứu .................................... 23
1.2.5 Cơ sở lý thuyết của mô hình MIKE 21 Ecolab .............................................. 24
CHƯƠNG II. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 21 NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN N, P
VÙNG CỬA SÔNG BẠCH ĐẰNG ............................................................................ 33
2.1 Đặc điểm tự nhiên của khu vực nghiên cứu .................................................. 33
2.1.1 Vị trí địa lý và địa hình .................................................................................. 33
2.1.2 Chế độ gió ..................................................................................................... 34
2.1.3 Đặc điểm thủy văn......................................................................................... 35
2.1.4 Đặc điểm hải văn........................................................................................... 36
2.2 Tài liệu thu thập ........................................................................................... 38
2.2.1 Địa hình......................................................................................................... 38
2.2.2 Số liệu khí tượng ........................................................................................... 38
2.2.3 Thuỷ triều ...................................................................................................... 38


2.2.4 Lưu lượng nước............................................................................................. 39
2.2.5 Số liệu hải văn ............................................................................................... 39
2.3 Tài liệu chất lượng nước .............................................................................. 40
2.3.1 Thải lượng N, P phát sinh và ước tính đưa vào sông Bạch Đằng. ................. 40

2.3.2 Dự báo tổng thải lượng N, P đưa vào sông Bạch Đằng. ................................ 43
2.4 Thiết lập dữ liệu đầu vào mô hình ................................................................ 45
2.4.1 Lựa chọn miền tính, lưới tính ........................................................................ 45
2.4.2 Thiết lập các điều kiện biên ........................................................................... 46
2.4.3 Kiểm chứng mô hình..................................................................................... 47
2.5 Thiết lập các kịch bản mô phỏng.................................................................. 49
2.5.1 Điều kiện chất lượng nước hiện trạng, trường dòng chảy mùa khô (KB1) .... 49
2.5.2 Điều kiện chất lượng nước hiện trạng, trường dòng chảy mùa mưa (KB2) ... 50
2.5.3 Chất lượng nước dự báo đến năm 2020 (KB3).............................................. 51
2.5.4 Quy hoạch môi trường thành phố Hải Phòng đến năm 2020......................... 55
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 21 NGHIÊN CỨU
DIỄN BIẾN N, P VÙNG CỬA SÔNG BẠCH ĐẰNG .............................................. 58
3.1 Kết quả mô phỏng các kịch bản ................................................................... 58
3.1.1 Kết quả thủy động lực ................................................................................... 58
3.1.1.1 Biến động theo không gian .................................................................... 58
3.1.2 Biến động theo thời gian ............................................................................... 62
3.2 Vận chuyển chất ô nhiễm N, P ..................................................................... 65
3.2.1 Biến đổi về không gian.................................................................................. 65
3.2.2 Sự biến đổi về thời gian ................................................................................. 70
CHƯƠNG IV. ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP GIẢM THIỂU ................................. 78
3.3 Giải pháp kỹ thuật........................................................................................ 78
3.4 Giải pháp quản lý......................................................................................... 78
3.4.1 Tăng cường thể chế và chính sách ................................................................. 78
3.4.1.1 Tăng cường hiệu lực và hoàn chỉnh các văn bản pháp quy .................... 78
3.4.1.2 Hoàn thiện về mặt thể chế và tăng cường phối hợp quản lý công tác bảo
vệ môi trường nước khu vực ................................................................................ 80
3.4.2 Điều chỉnh các quy hoạch phát triển và quy hoạch bảo vệ môi trường.......... 81
3.4.2.1 Quy hoạch phát triển tổng thể không gian khu vực .............................. 81
3.4.3 Quy hoạch bảo vệ môi trường theo lĩnh vực ngành ....................................... 82

3.4.4 Tăng cường các hoạt động quản lý, giám sát và nâng cao năng lực cho các cơ
quan quản lý môi trường ........................................................................................ 83
3.4.4.1 Quản lý các phương tiện hoạt động trên biển ....................................... 83
3.4.4.2 Quản lý các công trình xây dựng, neo thả trên mặt sông ..................... 83
3.4.5 Quản lý các công trình lấn biển ..................................................................... 83
3.4.5.1 Quản lý các nguồn thải từ lục địa ......................................................... 84
3.4.6 Xây dựng hệ thống quan trắc, cảnh báo môi trường và kiểm toán nguồn thải . 85
3.4.6.1 Xây dựng và hoàn thiện hệ thống quan trắc môi trường nước ............... 85
3.4.7 Thường xuyên tiến hành kiểm toán nguồn thải ............................................. 85
3.4.7.1 Tăng cường công tác thanh tra, giám sát môi trường. ........................... 85
3.4.8 Đẩy mạnh ứng dụng khoa học và công nghệ trong bảo vệ môi trường sông . 86
3.4.9 Sử dụng các công cụkinh tế môi trường ........................................................ 86
3.4.9.1 Phát huy công cụ phí và thuế môi trường ............................................. 86
3.4.9.2 Xử phạt hành chính về lĩnh vực bảo vệ môi trường .............................. 87
3.4.9.3 Xây dựng quỹ môi trường...................................................................... 88
3.4.10 Xã hội hoá bảo vệ môi trường sông, thông tin tuyên truyền, giáo dục, nâng
cao nhận thức và xây dựng ý thức cộng đồng bảo vệ môi trường sông .................. 88
3.4.11 Xã hội hoá bảo vệ môi trường và nâng cao vai trò cộng đồng trong tham gia
quản lý môi trường vùng cửa sông, ven biển.......................................................... 88
3.4.12 Thông tin tuyên truyền, giáo dục, nâng cao nhận thức và xây dựng ý thức
cộng đồng bảo vệ môi trường sông ........................................................................ 89
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………………90
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 92


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Tần suất vận tốc gió và các hướng trung bình năm tại Hòn Dáu .................... 34
(1960-2011) .................................................................................................................... 34
Bảng 2.2. Tần suất độ cao sóng và các hướng tại Hòn Dáu (1970-2011) ...................... 37

Bảng 2.3. Đơn vị thải lượng sinh hoạt ............................................................................ 40
Bảng 2.4. Thành phần nước thải một số ngành công nghiệp điển hình........................... 41
Bảng 2.5. Thải lượng đơn vị do chăn nuôi (kg/năm) ...................................................... 42
Bảng 2.6. Hệ số phát thải từ nuôi thuỷ sản...................................................................... 42
Bảng 2.7. Đơn vị thải lượng ô nhiễm do rửa trôi đất ( kg/km2/ngày mưa) ...................... 43
Bảng 2.8. Tổng thải lượng ô nhiễm phát sinh trong khu vực .......................................... 43
Bảng 2.9. Thải lượng ô nhiễm đưa vào sông Bạch Đằng từ các khu vực ....................... 44
Bảng 2.10. Điều kiện chất lượng nước hiện trạng mùa khô cửa Lạch Tray .................... 49
Bảng 2.11. Điều kiện chất lượng nước hiện trạng mùa khô cửa sông Văn Úc................ 49
Bảng 2.12. Điều kiện chất lượng nước hiện trạng mùa khô cửa Bạch Đằng................... 50
Bảng 2.13. Điều kiện chất lượng nước hiện trạng mùa mưa cửa Lạch Tray ................... 50
Bảng 2.14. Điều kiện chất lượng nước hiện trạng mùa mưa cửa Văn Úc ....................... 50
Bảng 2.15 . Điều kiện chất lượng nước hiện trạng mùa mưa cửa Bạch Đằng................. 51
Bảng 2.16. Dự báo thải lượng vào sông Bạch Đằng từ các nguồn năm 2020 ................ 56
Bảng 2.17 tổng hợp dự báo nồng độ N, P từ các nguồn năm 2020 ................................ 57


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1. Vùng ven biển Hải Phòng và cửa sông Bạch Đằng......................................... 33
Hình 2.2: Vị trí các nguồn thải........................................................................................ 45
Hình 2.3. Miền tính toán khu vực nghiên cứu................................................................ 45
Hình.2.4. Kết quả so sánh vận tốc dòng chảy thực đo và tính toán ................................. 47
Hình 2.5. So sánh mực nước thực đo và tính toán trạm Hòn Dáu................................... 48
Hình 3.2. Trường dòng chảy vùng cửa sông ven bi ển Hải Phòng giữa pha triều xuống –
mùa khô .......................................................................................................................... 61
Hình 3.3. Trường dòng chảy vùng cửa sông ven biển Hải Phòng giữa pha triều lên – mùa
mưa ............................................................................................................................... 61
Hình 3.4. Trường dòng chảy vùng cửa sông ven biển Hải Phòng giữa pha triều xuống –
mùa mưa ......................................................................................................................... 62
Hình 3.5. Đường quá trình vận tốc tại các điểm khu vực nghiên cứu ............................. 63

Hình 3.6. Hướng dòng chảy tại các vị trị khu vực nghiên cứu ........................................ 63
Hình 3.7. Sự biến đổi hàm lượng NH4+ tại thời điểm triều lên 17h ngày 4/3/2009 ........ 66
Hình 3.8.Sự biến đổi hàm lượng NH4+ khi triều xuống tại thời điểm 7h ngày 4/3/2009 . 66
Hình 3.9. Sự biến đổi hàm lượng NO3-, PO4+ tại thời điểm triều lên và triều xuống ...... 67
Hình 3.10. Biến đổi các chất khi triều lên, triều xuống mùa mưa ................................... 68
Hình 3.11. Biến đổi các chất khi triều lên, triều xuống mùa khô năm 2020.................... 70
Hình 3.12.Sự biến đổi NH4+ mùa khô theo thời gian tại các vị trí ................................... 71
Hình 3.13.Sự biến đổi (NO3-) mùa khô theo thời gian tại các vị trí................................. 72
Hình 3.14.Sự biến đổi PO4+ mùa khô theo thời gian tại các vị trí .................................. 72
Hình 3.15.Sự biến đổi NH4+ mùa mưa theo thời gian tại các vị trí.................................. 73
Hình 3.16.Sự biến đổi NH4+ mùa khô năm 2020 tại các vị trí......................................... 73
Hình 3.17. Sự biến đổi (NO3-) mùa mưa theo thời gian tại các vị trí............................... 74
Hình 3.18. Sự biến đổi (NO3-) mùa khô năm 2020 tại các vị trí...................................... 74
Hình 3.19. Sự biến đổi PO4+ mùa mưa theo thời gian tại các vị trí ................................ 75
Hình 3.20. Sự biến đổi PO4+ mùa khô năm 2020 tại các vị trí ........................................ 75


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BOD: Nhu cầu ô xy sinh học
COD: Nhu cầu ô xy hóa học
KTMT:Kỹ thuật môi trường
TSS:Tổng chất rắn lơ lửng
TTLL: Trầm tích lơ lửng
LVS: Lưu vực sông
CON: Chất ô nhiễm
DĐMN: Dao động mực nước


MỞ ĐẦU

A. Đặt vấn đề
Vùng cửa sông ven biển Hải Phòng có chế độ động lực phức tạp với sự tác
động và ảnh hưởng của các yếu tố như sóng, dòng chảy, thủy triều và dòng nước
ngọt từ sông đưa ra. Khu vực này cũng có hệ thống cảng biển quan trọng, đầu mối
ra biển của các tỉnh phía bắc. Tuy nhiên do nhiều nguyên nhân khác nhau mà xu
hướng bồi lắng ở khu vực cảng Hải Phòng luôn diễn ra mạnh mẽ, các tàu hàng lớn
thường rất khó vào cảng chính mà phải chờ đến thời gian nước lớn mới có thể vào
hoặc ra khỏi cảng.
Cũng ở khu vực này, bãi biển Đồ Sơn là bãi tắm khá nổi tiếng được phát hiện
từ thời Pháp. Đây là bãi tắm đẹp, sơn thủy hữu tình và có đường giao thông thuận
lợi đi Hà Nội và các tỉnh phía bắc. Chính vì vậy bãi biển Đồ Sơn có ý nghĩa hết sức
quan trọng đối với ngành du lịch nói riêng và sự phát triển kinh tế xã hội của thành
phố Hải Phòng nói chung. Tuy nhiên vấn đề đục nước ở bãi biển Đồ Sơn đã làm
giảm sức hấp dẫn của khu du lịch này. Mặc dù đã có một số nghiên cứu để tìm ra
nguyên nhân của hiện tượng này nhưng các kết quả nghiên cứu đó vẫn còn hạn chế.
Vì vậy, các kết quả của đề tài này sẽ góp phần tăng cường sự hiểu biết về nguyên
nhân của hiện tượng đục nước ở vùng ven bờ Đồ Sơn.
Do những nguyên nhân trên mà đặc điểm vận chuyển trầm tích lơ lửng
(TTLL) ở khu vực này đã được quan tâm nghiên cứu khá nhiều. Tuy nhiên do
những nguyên nhân khác nhau mà các kết quả của những nghiên cứu đó vẫn còn
các hạn chế.
Với mục tiêu như trên, cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu chủ yếu sẽ
là: thu thập, xử lý các tài liệu liên quan để thiết lập đầu vào, kiểm chứng và hiệu
chỉnh mô hình; triển khai các phương án ứng dụng hệ thống các mô hình thủy động
lực (TĐL), sóng và vận chuyển TTLL ở khu vực nghiên cứu theo các kịch bản khác
Nghiên cứu biến động N, P ảnh hưởng đến chất lượng nước vùng cửa sông Bạch
Đằng bằng mô hình MIKE 21: theo mùa, theo yếu tố tác động. Phạm vi khu vực

1

nghiên cứu là vùng cửa sông Bạch Đằng . Sau thời gian tiến hành nghiên cứu các
kết quả nhận được đã cung cấp các đặc điểm biến đổi N, P ở vùng cửa sông Bạch
Đằng, cũng như vai trò của một số yếu tố như thủy triều, gió, sóng kết hợp với gió
đến diễn biến N, P ở khu vực nghiên cứu.
Báo cáo này trình bày các kết quả đó và được cấu trúc như sau:
Mở đầu:
Chương 1: Tổng quan hiện trạng môi trường và phương pháp nghiên cứu trên
thế giới và ở Việt Nam. Một số mô hình thông dụng, phương pháp lựa chọn và
cơ sở lý thuyết mô hình MIKE21
Chương 2: Ứng dụng mô hình MIKE 21 nghiên cứu diễn biến N, P vùng cửa
sông Bạch Đằng
Chương 3: Kết quả ứng dụng mô hình MIKE 21 nghiên cứu diễn biến N, P vùng
cửa sông Bạch Đằng
Chương 4: Đề xuất các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước tại khu vực.

2


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG VÀ PHƯƠNG
PHÁP NGHIÊN CỨU

1.1

Hiện trạng ô nhiễm môi trường nước

1.1.1 Hiện trạng ô nhiễm môi trường nước Thế giới
Tài nguyên nước không phải là nguồn vô tận, với sự khai thác một cánh bừa
bãi, tràn lan, chạy theo lợi ích kinh tế thị trường không có những biện pháp xử lý
thích hợp như hiên nay thì việc nguồn nước bị ô nhiễm ngày một trầm trọng là điều

tất yếu xảy ra.
Thực trạng ô nhiễm nước trên thế giới Trong thập niên 60, ô nhiễm nước lục
địa và đại dương gia tăng với nhịp độ đáng lo ngại. Tốc độ ô nhiễm nước phản ánh
một cách chân thực tốc độ phát triển kinh tế của các quốc gia. Xã hội càng phát
triển thì càng xuất hiện nhiều nguy cơ.. Từ các đại dương lớn trên thế giới, nơi chứa
đựng hầu hết lượng nước trên trái đất, nước luôn được lưu thông thường xuyên và
sự ô nhiễm nếu xảy ra cũng rất chỉ mang tính chất nhỏ bé nhưng nay cũng đang
hứng chịu sự ô nhiễm nặng nề, tùy từng đại dương mà mức độ ô nhiễm lại khác
nhau.
Nhiều vùng biển trên thế giới đang bị ô nhiễm nghiêm trọng, đe dọa đến sự
sống của các loài động vật biển mà chủ yếu là nguồn ô nhiễm từ đất liền và giao
thông vận tải biển gây nên. Bờ biển Barrow, Alaska trở thành một nơi chứa rác. Ô
nhiễm nước ngọt lại càng trầm trọng. Anh Quốc đầu thế kỷ 19, sông Tamise rất
sạch, đến giữa thế kỷ 20 nó trở thành ống cống lộ thiên. Các sông khác cũng có tình
trạng tương tự trước khi người ta đưa ra các biện pháp bảo vệ nghiêm ngặt... Ở Hoa
Kỳ tình trạng thảm thương do ô nhiễm nước cũng xảy ra ở bờ phía đông, cũng như
nhiều vùng khác. Vùng Ðại Hồ bị ô nhiễm nặng, trong đó hồ Erie, Ontario ô nhiễm
đặc biệt nghiêm trọng. Ở ngay tại Trung Quốc, hàng năm lượng chất thải và nước
thải công nghiệp thải ra ở các thành phố và thị trấn của Trung Quốc tăng từ 23,9 tỷ
m3 trong năm 1980 lên 73,1 tỷ m3 trong năm 2006. Một lượng lớn nước thải chưa

3


qua xử lí vẫn được thải vào các sông. Hậu quả là, hầu hết nước ở các sông, hồ ngày
càng trở nên ô nhiễm24].
Ô nhiễm do Công nghiệp ngày càng tăng lên cùng sự phát triển của khoa học
kỹ thuật. Nền công nghiệp hiện đại với đa dạng ngành nghề từ luyện kim, cơ khí,
hóa chất của công nghiệp nặng đến sản xuất đồ may mặc, hàng tiêu dùng,… đã xả
ra môi trường đủ các hợp chất từ hữu cơ, vô cơ, các kim loại nặng, hợp chất của

phenol,… vào môi trường nước chưa kể đến những rủi ro trong quá trình hoạt động
sản xuất, khai thác khác. Các chất như asen, berili, cadimi, xyanua, crôm, thủy
ngân, chì, antimoan, vanadi chỉ tồn tại trong nước với một hàm lượng rất nhỏ cũng
đủ gây độc hại đến tính mạng con người, thậm chí gây tử vong. Các địa danh như
Kabu (Bắc Ấn Độ), Bhopal (Ấn Độ), Cubatao (Brazil), hay dòng sông Huai (Trung
Quốc) là những nơi ô nhiễm nhất trên thế giới do Công nghiệp[25].
Ô nhiễm do Nông nghiệp chủ yếu là do việc sử dụng thuốc trừ sâu, thuốc
diệt cỏ … và phân bón hóa học một cách tràn lan, không đúng phương pháp. Như ô
nhiễm của vùng bờ biển Thái Bình Dương của Hoa Kỳ, vịnh Californie bởi hãng
Montrose Chemicals do sự sản xuất nông dược. Hãng này sản xuất từ đầu năm
1970, 2/3 số lượng DDT toàn cầu làm ô nhiễm một diện tích 10.000 km2 (Mc
Gregor, 1976).
Ô nhiễm do Rác thải sinh hoạt cũng là một nguồn gây ô nhiễm quan trọng.
Rác và nước thải chưa qua xử lý được thải một cách vô tư xuống các con sông. Dân
số thế giới thì đang tăng lên với tốc độ chóng mặt và mới bắt đầu có dấu hiệu chững
lại. Với lượng nước thải của hơn 8 tỉ người đổ ra hàng ngày thực sự quá khả năng tự
làm sạch của các nguồn nước.
Ô nhiễm do giao thông vận tải đường sông, đường biển: Hoạt động vận tải
trên biển là một trong các nguyên nhân quan trọng gây ô nhiễm biển. Rò rỉ dầu, sự
cố tràn dầu của các tàu thuyền trên biển thường chiếm 50% nguồn ô nhiễm dầu trên
biển. Các tai nạn đắm tàu thuyền đưa vào biển nhiều hàng hoá, phương tiện và hoá
chất độc hại.

4


Do tác động của ô nhiễm không khí: các khí thải nhà máy đã mang theo Chất
ô nhiễm làm ô nhiễm nguồn không khí, kết hợp với hơi nước bốc lên gây mưa axit,
làm giảm độ pH của nước sông hồ, làm chết các loài thủy sinh. Nhiều chất độc hại
và bụi kim loại nặng cũng được không khí mang ra biển. Sự gia tăng nhiệt độ của

khí quyển trái đất do hiệu ứng nhà kính sẽ kéo theo sự dâng cao mực nước biển và
thay đổi môi trường sinh thái biển.
Do các hoạt động quốc phòng, chiến tranh: Một lượng lớn các chất thải
phóng xạ của các quốc gia trên thế giới được bí mật đổ ra biển. Riêng Mỹ năm 1961
có 4.087 và 1962 có 6.120 thùng phóng xạ được đổ chôn xuống biển. Việc nhấn
chìm các loại đạn dược, bom mìn, nhiên liệu tên lửa của Mỹ đã được tiến hành từ
hơn 50 năm nay. Riêng năm 1963 có 40.000 tấn thuốc nổ và dụng cụ chiến tranh
được hải quân Mỹ đổ ra biển[24].
Con người không nhận thức được tầm quan trọng của nguồn nước đối với
cuộc sống thì trong một tương lai không xa nguồn tài nguyên này sẽ cạn kiệt
1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm môi trường nước ở Việt Nam
Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, lượng mưa lớn cùng với đặc
điểm địa hình, địa mạo tạo nên mạng lưới sông ngòi khá dày (3.450 sông, suối,
trong đó, lưu vực của 8 hệ thống sông lớn chiếm 81,7% diện tích toàn quốc).[3]
Theo báo cáo của Tổng cục Môi Trường Việt Nam thì hiện nay các khu vực
trọng điểm phát triển kinh tế - xã hội của nước ta đều gắn với các lưu vực sông
(LVS) lớn như hệ thống sông Hồng - Thái Bình, hệ thống sông Đồng Nai, Mê
Công... và các cửa sông ven biển, đã đóng góp to lớn vào sự phát triển của đất nước.
Tuy nhiên, cũng gây ra nhiều tác động tiêu cực cho môi trường nói chung và môi
trường nước nói riêng tại các LVS. Chất lượng nước các sông đang diễn biến phức
tạp, nhiều nơi bị suy thoái, nhất là các khu vực nội thành, nội thị, các đoạn sông
chảy qua các đô thị, khu công nghiệp (KCN), làng nghề. Cụ thể nhất là tình trạng ô
nhiễm môi trường tại 3 LVS: sông Cầu, sông Nhuệ - sông Đáy và hệ thống sông
Đồng Nai[6].

5


Lưu vực hệ thống sông Đống Nai bao gồm tỉnh/TP, trong đó 7 tỉnh/TP nằm
trong vùng kinh tế trọng điểm phía Nam. Theo thống kê sơ bộ, trên lưu vực hệ

thống sông Đồng Nai có đến 103 KCN do Chính phủ ra quyết định thành lập (chưa
kể các KCN/CCN do địa phương thành lập) với diện tích quy hoạch trên 33.600 ha,
thải ra lượng nước thải từ sản xuất công nghiệp khoảng 1,8 triệu m3/ngày đêm. Tuy
nhiên, hiện mới có khoảng 1/3 các KCN/khu chế xuất đã và đang xây dựng hệ
thống xử lý nước thải tập trung; một số KCN có trạm xử lý nước thải tập trung
nhưng vận hành chưa đúng quy định; tỷ lệ đấu nối nước thải các nhà máy vào hệ
thống xử lý nước thải tập trung còn thấp; nguồn phát sinh nước thải chủ yếu từ các
ngành: chế biến thực phẩm, dệt nhuộm, giấy, chế biến mủ cao su, xi mạ... Tại nhiều
vị trí các giá trị N-NH^ BOD5) COD vượt ngưỡng QCVN 08 mức BI nhiều lần
Khu vực cửa sông đã bị ô nhiễm hữu cơ, giá trị các thông sỗ đều vượt QCVN
08:2008/BTNMT mức AI, một số nơi còn vượt mức BI (cảng Gò Dầu, Phú Mỹ, Cái
Mép). Ngoài ra, các tác động tiêu cực từ thủy điện, khai thác khoáng sản phía
thượng nguồn, xâm nhập mặn và ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đã và đang là
những mối đe dọa đến môi trường nước lưu vực hệ thống sông Đồng Nai.[6]
LVS Cầu gồm địa giới 6 tỉnh và một phần Thủ đô Hà Nội. Trong thời gian qua,
việc phát triển khai thác và chế biến khoáng sản ở thượng lưu (Bắc Cạn và Thái
Nguyên) và mở rộng sản xuất tại các làng nghề khu vực trung và hạ lưu (Vĩnh Phúc,
Bắc Giang, Bắc Ninh, Hải Dương), tốc độ đô thị hóa cao trong khi phần lớn các đô
thị chưa có hệ thống xử lý nước thải tập trung, sự mở rộng nhanh chóng của các
KCN, CCN trong khi hệ thống xử lý nước thải chưa có hoặc vận hành không đúng
quy định... là những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường nước mặt LVS Cầu,
nguồn cung cấp 70% nước cấp sinh hoạt và công nghiệp trên địa bàn. Kết quả quan
trắc cho thấy, môi trường nước mặt LVS Cầu bị ô nhiễm cục bộ, bắt đầu từ đoạn
chảy qua thị xã Bắc Cạn về hạ lưu (các thông số BOD5, NH4 và TSS đã vượt Quy
chuẩn quốc gia về chất lượng nước mặt QCVN 08:2008/ BTNMT mức AI, xấp xỉ
mức BI). Từ đoạn chảy qua TP. Thái Nguyên, mức độ ô nhiễm gia tăng đáng kể,
các thông số quan trắc đều vượt QCVN nhiều lần, nước sông có mùi dầu cốc. Đoạn

6

sông Cầu chảy qua tỉnh Bắc Giang, Bắc Ninh chịu ảnh hưởng do tiếp nhận nước của
sông Cà Lổ và sông Ngũ Huyện Khê và các KCN, làng nghề dọc 2 bên bờ sông nên
nước sông bị ô nhiễm rõ rệt, các thông số chỉ đạt QCVN 08:2008/BTNMT loại
B2[6].
LVS Nhuệ - sông Đáy bao gồm một phần Thủ đô Hà Nội và các tỉnh Hà Nam,
Nam Định, Ninh Bình, Hòa Bình. Dòng chảy sông Nhuệ phụ thuộc hoàn toàn vào
chế độ đóng mở các cống điều tiết: Liên Mạc (lấy nước sông Hồng), Thanh Liệt
(lấy nước sông Tô Lịch) và các cống khác trên trục chính: Hà Đông, Đổng Quan,
Nhật Tựu, Lương Cổ - Điệp Sơn. Môi trường nước LVS Nhuệ - sông Đáy bị ô
nhiễm một phần do đặc điểm điều kiện tự nhiên đặc thù là sông có độ dốc tự nhiên
thấp, nguồn nước cấp không đảm bảo do phụ thuộc các cống điều tiết, vào mùa kiệt
nguồn nước cấp chủ yếu là nước thải từ đầu nguồn[6]…
Chất lượng nước của nhiều đoạn thuộc LVS Nhuệ - sông Đáy đã bị ô nhiễm tới
mức báo động, đặc biệt vào mùa khô, giá trị các thông số BOD5, COD, Coliíbrm ..
tại các điểm đo đều vượt QCVN 08:2008/ BTNMT nhiêu lần. Khu vực đầu nguồn
sông Nhuệ, nước sông còn tương đối tốt nhưng sau hợp lưu với sông Tô Lịch
(nguồn tiếp nhận nước thải chính của các quận nội thành Hà Nội), nước sông Nhuệ
đã bị ô nhiễm trầm trọng (đặc biệt tại điểm Cầu Tó trở đi). Mặc dù đã được pha
loãng từ đoạn hợp lưu với sông Đáy trở về hạ lưu và áp dụng giải pháp điều tiết đưa
nước sông Tô Lịch qua hệ thống hố điều hòa Yên Sở bơm ra sông Hồng vào mùa
kiệt, nước sông Nhuệ vẫn là nguyên nhân chính gây ô nhiễm cục bộ cho LVS Nhuệ
-sông Đáy, nguồn cấp nước sinh hoạt và sản xuất cho thành phố Phủ Lý và một số
địa phương phía hạ nguồn[6].
1.1.3 Tình hình ô nhiễm môi trường nước vùng cửa sông Bạch Đằng
Vùng cửa sông Bạch Đằng đổ ra biển tại Hải Phòng có vị trí rất quan trọng
về giao thông đường thủy, về hệ thống tưới tiêu cho nông nghiệp, là nguồn nước lớn
phục vụ nhu cầu sinh hoạt và phát triển kinh tế của hầu hết các địa phương trong
lưu vực. Bên cạnh đó vùng cửa sông (VCS) Bạch Đằng cũng có vai trò quan trọng
về hệ sinh thái và môi trường đối với hệ thống ven bờ phía Bắc. Tuy nhiên hiện nay

7


do nhu cầu mở mang đô thị, công nghiệp hóa cùng với ý thức bảo vệ kém khiến
vùng này đang bị ô nhiễm, chất lượng nước bị suy giảm, ảnh hưởng nghiêm trọng
đến các loài thủy sinh, đe dọa hủy diệt hệ sinh thái đặc trưng. Vùng cửa sông Bạch
Đằng là nơi phát tán chất ô nhiễm từ lục địa ra ngoài biển, ngược lại có thể mang
chất ô nhiễm từ biển trở lại vùng cửa sông, chính vì vậy quản lý chất lượng nước
VCS Bạch Đằng là một vấn đề cần quan tâm[4].
Năm 2008 Viện Môi trường biển và Viện Nghiên cứu Phát triển- IRD (Pháp)
đã cùng phối hợp thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng nhân sinh và thủy động
lực tới các quần xã thực vật phù du và vi khuẩn nổi ở VCS Bạch Đằng”. Kết quả
cho thấy hàm lượng chất ô nhiễm VCS Bạch Đằng vượt ngưỡng cho phép. Có quá
nhiều chỉ số ô nhiễm rất đáng lo ngại: Mật độ thủy sinh, phù du rất ít do hàm lượng
chất ô nhiễm vùng cửa sông Bạch Đằng vượt ngưỡng cho phép. Hàm lượng nitrite
trung bình toàn vùng vượt giới hạn cho phép, hàm lượng amoni xấp xỉ giới hạn cho
phép, hàm lượng silicate vượt giới hạn cho phép đối với nước nuôi trồng thủy sản.
VCS Bạch Đằng bị ô nhiễm dầu mỡ từ 2,2 đến 3,6 lần và có biểu hiện ô nhiễm của
đồng, kẽm và thủy ngân. Hàm lượng tổng hóa chất bảo vệ thực vật có clo có biểu
hiện giảm, nhưng tổng DDT (loại thuốc trừ sâu rầy) vẫn phát hiện với hàm lượng
vượt GHCP từ 2,9 - 5 lần. Sự ô nhiễm dầu có xu hướng tăng cao, gần khu vực cảng,
bến đỗ tàu thuyền, bám vào lá sú vẹt và ngấm vào trầm tích mặt đáy. Hệ số ô nhiễm
dầu trong trầm tích tăng từ 0,7 (năm 2001) lên 2,4 (năm 2008). Ô nhiễm dầu chủ
yếu do tình trạng phát triển giao thông thuỷ, công nghiệp và do các phương tiện tàu
thuyền đánh cá lạc hậu... và thiếu trang thiết bị cũng như khả năng ứng cứu, xử lý
nhanh khi có sự cố tràn dầu[4].
Gần đây ảnh hưởng đục của nước ven bờ tăng lên rõ ở khu vực bãi tắm làm bẩn
nước, thiệt hại tới du lịch và làm chết san hô, giảm năng suất sơ cấp thực vật nổi do
hạn chế quang hợp. Sự biến đổi dòng chảy do lưu lượng nước sông và chế độ gió,

nên VCS Bạch Đằng là nơi phát tán chất ô nhiễm từ lục địa ra ngoài biển, ngược lại
có thể mang chất ô nhiễm từ biển trở lại vùng cửa sông. Nhu cầu ôxy hoá sinh học
(BOD) khá cao (13,6 đến 31 mg/l), chỉ số vi sinh (coliform) qua khảo sát đều thấy

8


vượt quá GHCP. Nguyên nhân là do chất thải công nghiệp, đô thị, các khu dân cư
và những hoạt động trên biển gây ra. Sự phát triển công nghiệp thiếu quy hoạch hệ
thống cơ sở hạ tầng thoát nước, thu gom, xử lý chất thải rắn và vệ sinh môi trường
là một trong những nguyên nhân chủ yếu dẫn đến chất lượng môi trường ở VCS
Bạch Đằng này đang ngày càng suy giảm[4].
Nguyên nhân ô nhiễm nước sông Bạch Đằng và VCS Bạch Đằng chủ yếu là do
chất thải công nghiệp, chất thải đô thị, các khu dân cư và những hoạt động ngay trên
biển gây ra. Sự phát triển công nghiệp thiếu quy hoạch hệ thống cơ sở hạ tầng thoát
nước, thu gom, xử lý chất thải rắn và vệ sinh môi trường là điều luôn được nhắc,
được biết đến nhưng chưa hề có sự tác động thay đổi, kể cả những quy hoạch, đầu
tư về sau.
1.2 Quản lý môi trường nước bằng phương pháp Mô hình hóa
1.2.1 Phương pháp mô hình hóa trong nghiên cứu và quản lý môi trường
Phương pháp mô hình hóa là cách tiếp cận toán học mô phỏng diễn biến quá
trình chuyển hóa, biến đổi (phân tán hoặc pha loãng) trong thực tế về thành phần và
khối lượng của các chất ô nhiễm trong không gian và theo thời gian. Đây là một
phương pháp có mức độ định lượng và độ tin cậy cao cho việc mô phỏng các quá
trình vật lý, sinh học trong tự nhiên và dự báo tác động môi trường, kiểm soát các
nguồn gây ô nhiễm[2].
Trong gần một thế kỷ, từ mô hình đơn giản đầu tiên cho đến nay sự phát
triển mô hình chất lượng nước 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 & DO (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 hụt oxy trong dòng chảy là do sự phân hủy các chất hữu cơ.
-

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

9


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&DO 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 mô hình chất
lượng nước 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 lực, bài toán
lan truyền chất trong dòng chảy đã trở nên quen thuộc. Các mô hình chất lượng
nước được phát 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 :
• Quá trình lắng các chất lơ lửng, phân tán nhỏ trong quá trình lan truyền.
• Quá 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 mô hình chất lượng nước được phát triển rất đa dạng. Nếu như trước đây

10


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 lưu vực có chế độ thuỷ lực độ tin cậy của kết quả tính toán mô phỏng còn nhiều

hạn chế .
+ Giai đoạn thập kỷ 70:
Trong giai đoạn này với sự hoàn thiện các phương pháp nghiên cứu thực
nghiệm xác định sự phân tán vật chất trong dòng chảy các mô hình chất lượng nước
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 của 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 đã 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 mô hình chất lượng nước 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 ảnh hưởng của mối quan hệ giữa

các loại phù du thực vật với các chất dinh 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 mô hình chất lượng nước 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 Qual2E (1993). Di Toro và Fitzpatrick (1993) phát triển, bổ sung thêm

11


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 dưỡng.
Hiện tại, hướng phát triển của mô hình chất lượng nước 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.
Dưới đây trình bày tổng quan, ưu và nhược điểm một số mô hình nghiên cứu
chất lượng nước phổ biến nhất hiện nay trên thế giới.
1.2.2

Một số mô hình quản lý chất lượng nước trên Thế giới.

1.2.2.1 Mô hình EFDC (Mỹ)
 Giới thiệu chung
Mô hình EFDC (Environmental Fluid Dynamics Computer Code) được phát
triển bởi Viện khoa học Biển bang Virginia Mỹ (Virginia Institute of Marine
Science - VIMS), là mô hình 3 chiều mô phỏng thủy động học dòng chảy và vận
chuyển bùn cát. Mô hình chất lượng nước mô phỏng 21 biến được ghép vào mô
hình thủy động học EFDC để trở thành mô hình phú dưỡng thủy động học 3 chiều
(three-dimensional Hydrodynamic-Eutrophication Model HEM-3D).
 Cơ sở lí thuyết

Phương trình bảo toàn vật chất đối với từng biến của chất lượng nước được
trình bày như sau:

C (uC ) (vC ) (wC )



t
x
y
z

  C    C    C 
  Kx
Ky
  Kz

  SC
x 
x  y 
y  z 
z 
Trong đó: C là nồng độ của biến chất lượng nước.
u, v & w: các thành phần vận tốc theo các hướng x, y và z

12

(1.1)

Kx , Ky & Kz: hệ số khuếch tán rối theo các hướng x, y và z
S = thành phần nguồn phát tán hoặc mất trên đơn vị thể tích
 Khả năng mô phỏng
Mô hình mô phỏng biến đổi các yếu tố thủy động học dòng chảy theo không
gian và thời gian đồng thời mô phỏng các thông số về chất lượng nước bao gồm ô
xy hòa tan, 3 nhóm tảo lơ lửng (suspended algae -3groups), nhiều thành phần của
carbon, nitơ, phốt pho và các chu trình của silica và các trực khuẩn ruột già. Mô
hình mô phỏng bùn cát có thể mô phỏng được 27 biến bao gồm mô hình quá trình
bùn cát. Quá trình này bao gồm sự tương tác với chất hữu cơ dạng hạt chìm lắng từ
lớp nước bề mặt, mô phỏng quá trình trầm tích của dòng chất hữu cơ và dòng chất
vô cơ được hình thành (amoni, ni tơ, phốt pho và silica) cũng nhu cầu ô xy ngược
trở lại đối với lớp nước bên trên của bùn đáy. Sự ghép nối giữa mô hình quá trình
bùn cát với mô hình chất lượng nước không những cho phép mô phỏng các tham số
chất lượng nước mà còn mô phỏng thời gian dài các biến đổi về điều kiện chất
lượng nước ứng với sự biến đổi về các tải trọng chất dinh dưỡng.
 Ưu điểm:
-

Cải thiện về thời gian tính toán

-

Đưa được nhiều loại chất ô nhiễm trong một mô phỏng

 Nhược điểm:
- Phải sử dụng lưới tính thiết lập từ mô hình thương mại khác như Delft3D
- Giao diện chưa thân thiện
- Kết quả lưu trữ lớn
1.2.2.2 Mô hình Delft3D-WAQ (Hà Lan)
 Giới thiệu chung

Mô hình Delft3D được phát triển bởi viện thủy lợi Delfl – Hà lan, đây là mô
hình 3 chiều mô phỏng động học chất lỏng và chất lượng nước. Có 3 mô hình thành
phần trong mô hình Delft3D đó là: Delft3D-WAQ, Delft3D-SED, Delft3D-ECO.
Cả 3 mô hình đều có phần mô phỏng chất lượng nước nhưng các cấp độ thì khác
nhau, trong đó mô hình Delft3D-WAQ mô phỏng chi tiết nhất.

13


Delft3D-WAQ là mô đun chất lượng nước hai và ba chiều, nó giải phương
trình bình lưu-khuếch tán-phản ứng trong lưới tính xác định và trong phạm vi rộng
các vật chất mô hình hoá. Delft3D - WAQ cho phép tính mềm dẻo lớn cho các chất
được mô hình hoá, cũng như trong các quá trình được xem xét. Delft3D - WAQ
không phải là mô hình thuỷ động lực dòng chảy nên thông tin về các trường dòng
chảy được tính trong Delft3D - Flow.
Mô hình này không phải là mô hình thủy lực nên các thông số của dòng chảy
được lấy từ kết quả của mô hình Delft3D - FLOW hoặc các mô hình khác như
SOBEK miễn là các định dạng số liệu đầu vào được thỏa mãn.
 Cơ sở lý thuyết của mô đun chất lượng nước Delft3D-WAQ
Delft3D-WAQ giải cho các quá trình tải và các quá trình vật lý, hoá học, hoá
sinh học và sinh học. Phương trình toán học cơ bản trong Delft3D-WAQ đó là
“phương trình bình lưu-khuếch tán-phản ứng”:

C
 2C
C
 2C
C
 D 2  u
 D 2  v

 S  f R C , t 
t





(1.2)

Trong đó: C là nồng độ của chất quan tâm; u và v là các thành phần vận tốc
theo các phương  và  tương ứng; D và D là hệ số khuếch tán theo phương  và
 tương ứng;

Dn

C
 2C
U
2
n là
n là thành phần khuếch tán trong phương trình;

thành phần tải trong phương trình; các hàm ‘f’ và ‘S’ là các số hạng nguồn. Các số
hạng nguồn này đại diện cho:
 Lưu lượng hoặc “việc tải chất thải” (S): số hạng này là dòng nước hoặc
dòng chất bẩn thêm vào nhưng chưa được mô tả trong Delft3D-Flow như
là các số hạng vận tốc trong các phương trình động lượng. Số hạng nguồn
này thường được sử dụng trong các sông nhỏ, cống thải của khu công
nghiệp, cống thải của nhà máy xử lý chất thải, cống thoát nước dân sinh...
 Các số hạng phản ứng hoặc các quá trình (fR).

 Khả năng mô phỏng
Mô hình có khả năng mô phỏng một lượng lớn các loại vật chất như:
14


 Các vật chất bảo toàn (muối, clo có thể đến 5 loại vật chất);
 Các vật chất phân hủy (có thể đến 5 loại vật chất);
 Bùn cát lơ lửng (có thể đến 3 thành phần);
 Nhiệt độ;
 Chất dinh dưỡng (amoni, nitơ, phốt pho, silicát);
 Chất hữu cơ (chia ra các thành phần dưới dạng các bon, nitơ, phốt pho);
 Ô xy hòa tan;
 Nhu cầu ô xy sinh học và hóa học (BOD và COD);
 Tảo;
 Vi khuẩn;
 Kim loại nặng;
 Chất vi ô nhiễm hữu cơ.
Ngoài ra chương trình cung cấp một thư viện các quá trình vật lí, hóa và sinh
học để phục vụ mô phỏng các quá trình:
 Các quá trình lắng đọng và tái lơ lửng;
 Quá trình phát triển và chết của tảo;
 Khoáng hóa của các chất hữu cơ;
 Ni tơ hóa;
 Hấp thụ các kim loại nặng;
 Bay hơi của các chất vi ô nhiễm hữu cơ;
 Nhược điểm:
- Chi phí bản quyền cao
- Giao diện chưa thân thiện
- Dung lượng lưu trữ file kết quả thường rất lớn
- Lưới tính chưa linh hoạt khi chia ở những khu vực cần độ chi tiết cao

1.2.2.3 Cơ sở lý thuyết của mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool)
Mô hình SWAT được xây dựng để mô phỏng ảnh hưởng của việc quản lý sử
dụng đất đến nguồn nước, bùn cát và hàm lượng chất hữu cơ trong hệ thống lưu vực

15


sông với các loại đất, với các điều kiện sử dụng đất khác nhau và điều kiện quản lý
tương ứng với một khoảng thời gian dài.
Mô hình được xây dựng trên nền các quan hệ thể hiện bản chất vật lý của
hiện tượng tự nhiên. Ngoài việc sử dụng các phương trình tương quan để mô tả mối
quan hệ giữa các biến vào và ra, SWAT còn yêu cầu các số liệu về thời tiết, sử dụng
đất, địa hình, thực vật và tình hình quản lý tài nguyên đất trong lưu vực. Các quá
trình tự nhiên liên quan tới chuyển động của nước, lắng đọng bùn cát, tăng trưởng
mùa màng, chu trình chất dinh dưỡng,… được tính toán trực tiếp bởi mô hình từ các
thông số đầu vào. Việc mô phỏng cho một lưu vực theo các chiến lược quản lý
khác nhau có thể được diễn ra tương đối đơn giản. Mô hình SWAT dựa trên các bản
đồ số về địa hình (DEM), sông ngòi, đường bao lưu vực để tính toán và chia lưu
vực ra thành các vùng hay các lưu vực nhỏ (sub-basin).
Đây là các lưu vực của các nhánh sông chính trong lưu vực nghiên cứu.
Mô hình đồng thời cho phép người sử dụng thêm các nút bổ sung nước (inlet) để hỗ
trợ cung cấp thêm nguồn nước thực tế khi mà các bản đồ GIS chưa cập nhật kịp thời
và các điểm đo nước (outlet) để chia nhỏ các lưu vực con giúp người sử dụng có thể
tham khảo các vùng khác của lưu vực trong cùng một phạm vi không gian. Phương
pháp sử dụng các lưu vực nhỏ trong mô hình để mô phỏng dòng chảy là rất thuận
lợi khi mà các lưu vực này có đủ số liệu về sử dụng đất cũng như đặc tính của đất.
Bên cạnh đó, mô hình cho phép mô phỏng hoạt động của hồ chứa trên lưu vực với
các thông số như dung tích, diện tích mặt nước, Q tràn,..
Ảnh hưởng của đất và việc sử dụng đất được thể hiện rõ trong việc nhập và
xử lý các bản đồ GIS. Mô hình sẽ cập nhật bản đồ sử dụng đất và phân loại sử dụng

đất theo tên và số phần trăm diện tích loại hình sử dụng đất đó. Tương tự với bản đồ
đất, cũng được cập nhật theo tên và phần trăm diện tích đất.
Các trạm KTTV được cập nhật theo kinh vĩ độ và tương ứng là các chuỗi số
liệu của trạm đó theo thời gian. Mô hình tính toán mưa theo phương pháp đa giác
Theissen. Trong quá trình tính toán dòng chảy, mô hình đã sử dụng phương pháp
tính bốc hơi (theo Penman-Monteith, Priestley-Taylor, Hardgreve hoặc đọc từ file),

16