Sử dụng phần mềm QUAL2K trong quản lý chất lượng nước tỉnh vĩnh

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................3
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................4
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................5
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................6
DANH MỤC HÌNH .........................................................................................8
MỞ ĐẦU

10

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ MỘT SỐ
MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CHẤT LƢỢNG NƢỚC SÔNG ............................12
1.1. Tổng quan về tỉnh Vĩnh Phúc .............................................................12
1.1.1. Vị trí địa lý [14] ...........................................................................12
1.1.2. Địa hình, địa mạo .........................................................................13
1.1.3. Tài nguyên rừng ...........................................................................13
1.1.4. Tài nguyên nƣớc mặt [14] ............................................................14
1.2. Một số mô hình mô phỏng chất lƣợng nƣớc sông ..............................14
1.3. Giới thiệu về sông Cà Lồ ....................................................................18
1.3.1. Lƣu vực sông Cà Lồ .....................................................................18
1.3.2. Nguồn gây ô nhiễm nƣớc mặt sông Cà Lồ ..................................20
CHƢƠNG 2. MÔ HÌNH QUAL2K ...............................................................23
2.1. Sự phân đoạn trong QUAL2K [16] ....................................................23
2.2. Cân bằng lƣu lƣợng [16] .....................................................................25
2.3. Các đặc tính thủy lực [16] ...................................................................26
2.4. Mô hình nhiệt độ [16] .........................................................................27
2.5. Mô hình tính toán cho các phần tử [7,16] ...........................................28
1


2.6. Chạy mô hình ......................................................................................30

CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ......................................................32
3.1. Thu thập các dữ liệu về địa hình, khí tƣợng thủy văn và khí tƣợng ...32
3.1.1. Các dữ liệu về địa hình ................................................................32
3.1.2. Dữ liệu thủy văn, thủy lực ...........................................................32
3.1.3. Dữ liệu về khí tƣợng ....................................................................34
3.1.4. Các thông hệ số động học đƣợc sử dụng trong mô hình..............35
3.1.5. Chất lƣợng nƣớc ranh giới thƣợng nguồn ....................................36
3.2. Kiểm tra sự tƣơng hợp của mô hình QUL2K đối với khu vực nghiên
cứu ..............................................................................................................37
3.2.1. Các nguồn nƣớc thải vào sông Cà Lồ ..........................................37
3.2.2. Tính toán dữ liệu các nguồn thải vào sông ..................................39
3.2.3. Chất lƣợng nƣớc sông Cà Lồ mùa mƣa 2013 ..............................44
3.2.4. Kết quả mô hình chất lƣợng nƣớc sông Cà Lồ mùa mƣa 2013 ...44
3.3. Ứng dụng mô hình QUAL2K dự báo chất lƣợng nƣớc sông Cà Lồ
theo các kịch bản ........................................................................................46
3.4. Tính toán mô hình hóa cho các kịch bản ............................................47
3.4.1. Kịch bản 1 ....................................................................................47
3.4.2. Kịch bản 2 và Kịch bản 3 .............................................................53
3.5. Đề xuất một số biện pháp quản lý tổng hợp nguồn nƣớc mặt sông ....60
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................63

2


LỜI CAM ĐOAN
Bản luận văn này do tôi tự lập nghiên cứu và thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn
của TS. Trịnh Thành.
Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu đƣợc ghi trong
mục Tài liệu tham khảo, ngoài ra tôi không sử dụng bất kì tài liệu nào mà không

đƣợc liệt kê.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung mà tôi trình bày trong
luận văn này.
Hà Nội, ngày

tháng
HỌC VIÊN

Đỗ Đình Chính

3

năm 2015


LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời chúc sức khỏe, lời cảm ơn chân thành
tới TS. Trịnh Thành, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian
thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới toàn thể các thầy cô giáo trƣờng Đại học
Bách khoa Hà Nội đã tận tình giảng dạy giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những ngƣời đã luôn quan tâm,
động viên, khích lệ tôi trong suốt quá trình học tập để tôi có thể hoàn thành tốt luận
văn tốt nghiệp.
Hà Nội, ngày

tháng
HỌC VIÊN

Đỗ Đình Chính

4

năm 2015


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
CN
NN
Q2K
KCN
QLLVS
TCLVS
TNHH
TP
UBND
WHO

Công nghiệp
Nông nghiệp
QUAL2K
Khu công nghiệp
Quản lý lƣu vực sông
Tổ chức lƣu vực sông
Trách nhiệm hữu hạn
Thành phố
Ủy ban nhân dân
Tổ chức y tế thế giới

5

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Những chỉ tiêu thái đƣợc mô tả trong mô hình [16] .................................28
Bảng 3.1. Dữ liệu địa hình ........................................................................................32
Bảng 3.2. Dữ liệu thủy văn, thủy lực sông Cà Lồ .....................................................32
Bảng 3.3. Lƣu lƣợng nƣớc trung bình theo các tháng và năm của sông Cà Lồ ........32
Bảng 3.4. Thông số các đoạn sông............................................................................33
Bảng 3.5. Thông số khí tƣợng đo tại trạm Vĩnh Yên [9] ..........................................34
Bảng 3.6. Tốc độ gió trung bình tháng và năm .........................................................34
Bảng 3.7. Các hệ số động học ...................................................................................35
Bảng 3.8. Chất lƣợng nƣớc ranh giới thƣợng nguồn và hạ nguồn ............................37
Bảng 3.9. Vị trí các nguồn thải so với cuối đoạn sông Cà Lồ ..................................38
Bảng 3.10. Lƣợng nƣớc thải sinh hoạt thải vào đoạn sông Cà Lồ ............................40
Bảng 3.11. Định mức tải lƣợng các chất ô nhiễm trong nƣớc thải sinh hoạt............40
Bảng 3.12. Tỷ lệ hộ sử dụng bể tự hoại năm 2013 ...................................................40
Bảng 3.13. Nồng độ các chất ô nhiễm của các nguồn thải .......................................41
Bảng 3.14. Chất lƣợng nƣớc thải KCN Bình Xuyên 2013 .......................................42
Bảng 3.15. Số lƣợng vật nuôi ở các khu vực ............................................................42
Bảng 3.16. Lƣợng nƣớc thải chăn nuôi thải vào đoạn sông Cà Lồ ...........................43
Bảng 3.17. Đặc trƣng nƣớc thải chăn nuôi [1] ..........................................................43
Bảng 3.18. Chất lƣợng nƣớc sông Cà Lồ mùa mƣa 2013 .........................................44
Bảng 3.19. Lƣợng nƣớc thải sinh hoạt thải vào đoạn sông Cà Lồ ............................48
Bảng 3.20. Tỷ lệ hộ sử dụng bể tự hoại ....................................................................48
Bảng 3.21. Nồng độ các chất ô nhiễm của các nguồn thải .......................................48
Bảng 3.22. Chất lƣợng nƣớc thải KCN Bình Xuyên ................................................49
Bảng 3.23. Số lƣợng vật nuôi ở các khu vực ............................................................49
Bảng 3.24. Lƣợng nƣớc thải chăn nuôi thải vào đoạn sông Cà Lồ ...........................50
Bảng 3.25. Đặc trƣng nƣớc thải chăn nuôi [1] ..........................................................50
Bảng 3.26. Lƣợng nƣớc thải sinh hoạt thải vào đoạn sông Cà Lồ năm 2020 ...........54

Bảng 3.27. Chất lƣợng nƣớc thải sinh hoạt theo kịch bản 2 và 3 .............................54
6


Bảng 3.28. Chất lƣợng nƣớc thải theo kịch bản 2 và 3 .............................................55
Bảng 3.29. Số lƣợng vật nuôi ở các khu vực năm 2020 ...........................................55
Bảng 3.30. nồng độ các chất ô nhiễm có trong nƣớc thải chăn nuôi theo kịch bản 2
và 3 ............................................................................................................................56

7


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Bản đồ tỉnh Vĩnh Phúc ..............................................................................12
Hình 1.2. Sông Cà Lồ chảy qua địa phận tỉnh Vĩnh Phúc ........................................19
Hình 2.1. Sự phân đoạn của QUAL2K trong hệ thống sông không có nhánh [16] ..23
Hình 2.2. Sự phân loại của QUAL2K cho trƣờng hợp sông với các nhánh: (a) là hệ
thống thực, (b) là hệ thống đƣợc biểu diễn trong QUAL2K [16] .............................24
Hình 2.3. Sự phân đoạn trong QUAL2K thành các phần tử tính toán [16] ..............25
Hình 2.4. Sự cân bằng lƣu lƣợng của khúc sông i ....................................................25
Hình 2.5. Cách thức dòng chảy từ nguồn không ở dạng điểm phân bổ đến một
nhánh sông ................................................................................................................26
Hình 2.6. Cân bằng nhiệt...........................................................................................28
Hình 2.7. Cân bằng khối lƣợng .................................................................................29
Hình 2.8. Mô hình động lƣợng và quá trình lan truyền chất. Các biến trạng thái
đƣợc định nghĩa trong ...............................................................................................30
Hình 2.9. Các bƣớc chạy mô hình QUAL2K............................................................30
Hình 3.1. Các đoạn sông ...........................................................................................33
Hình 3.2. Nguồn nƣớc chảy vào và ra khỏi đoạn sông .............................................38
Hình 3.3. Kết quả mô phỏng nồng độ oxy hòa tan với nồng độ đo thực ..................44

Hình 3.4. Kết quả mô phỏng nồng độ BOD5 với kết quả thực đo.............................45
Hình 3.5. Kết quả mô phỏng nồng độ NH4+ và kết quả thực đo ...............................45
Hình 3.6. Kết quả mô phỏng nồng độ PO43- và kết quả thực đo ...............................46
Hình 3.7. Kết quả mô phỏng nồng độ oxy hòa tan theo chiều dọc sông ..................51
Hình 3.8. Kết quả mô phỏng nồng độ BOD5 theo chiều dọc sông............................51
Hình 3.9. Kết quả mô phỏng nồng độ NH4+ theo chiều dọc sông ............................52
Hình 3.10. Kết quả mô phỏng nồng độ NO3- theo chiều dọc sông ...........................52
Hình 3.11. Kết quả mô phỏng nồng đô Phốt phát theo chiều dọc sông ....................53
Hình 3.12. Kết quả mô phỏng nồng độ Oxy hòa tan theo chiều dọc sông ...............56
Hình 3.13. Nồng độ BOD5 dọc theo chiều dài sông .................................................57
Hình 3.14. Nồng độ Amoni dọc theo chiều dài sông ................................................57
8


Hình 3.15. Nồng độ NO3 dọc theo chiều dài sông ....................................................58
Hình 3.16. Nồng độ PO43- dọc theo chiều dài sông ..................................................58

9


MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài:
Hiện nay, chất lƣợng nƣớc mặt Vĩnh Phúc đã và đang có dấu hiệu suy giảm
về chất lƣợng, nguyên nhân gây suy giảm chất lƣợng nƣớc mặt chủ yếu do các hoạt
động của con ngƣời gây ra. Do đó, cần có sự đánh giá mô phỏng chất lƣợng nƣớc
mặt tỉnh Vĩnh Phúc cho thời điểm hiện tại và tƣơng lai để có thể có các biện pháp
giảm thiểu các tác động gây ô nhiễm tới chất lƣợng nƣớc mặt tỉnh Vĩnh Phúc.
Sự mô phỏng chất lƣợng nƣớc bằng công cụ toán học là một nhánh khoa học
đang phát triển nhanh, đạt đƣợc thành công lớn trong những năm gần đây. Trong
thực tế, các thực nghiệm trực tiếp với kênh sông tự nhiên thƣờng gặp khó khăn và

trong nhiều trƣờng hợp là không thể cho nên khả năng mô phỏng bài toán môi
trƣờng trong phòng thí nghiệm thƣờng rất hạn chế. Các mô hình toán học là công cụ
cơ bản cho tính toán định lƣợng cũng nhƣ áp dụng vào thực tế khi nghiên cứu mô
phỏng chất lƣợng nƣớc kênh sông.
Để mô phỏng chất lƣợng nƣớc kênh sông cần phải giải quyết bài toán dòng
chảy trong hệ thống kênh sông cùng bài toán lan truyền chất. Các bài toán truyền
lan chất ô nhiễm đƣợc xác định bởi các hệ phƣơng trình vi phân đạo hàm riêng mô
tả các định luật vật lý cơ bản. Các phƣơng trình này mô tả sự di chuyển lƣu chất
trên kênh sông và sự lan truyền những chất hòa tan khác nhau.
Mô hình QUAL2K là mô hình chất lƣợng nƣớc sông tổng hợp và toàn diện
đƣợc phát triển do sự hợp tác giữa trƣờng Đại học Tufts University và Trung tâm
mô hình chất lƣợng nƣớc của Cục môi trƣờng Mỹ. Mô hình này đƣợc sử dụng rộng
rãi để dự đoán hàm lƣợng tải trọng của các chất thải cho phép thải vào sông.
Lịch sử nghiên cứu:
Ở nƣớc ta, mô hình QUAL2K cũng đã đƣợc ứng dụng để nghiên cứu, đánh
giá chất lƣợng nƣớc của một số con sông lớn nhƣ: Sông Hƣơng (Nguyễn Bắc
Giang, 2011); Lƣu vực sông Thị Tính – Bình Dƣơng (Trần Minh Trí, 2008);
Đối với tỉnh Vĩnh Phúc chƣa chú trọng đến việc sử dụng phƣơng pháp mô
hình hóa chất lƣợng nƣớc mặt tính toán chất lƣợng nƣớc.
10


Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu mô hình QUAL2K;
- Ứng dụng mô hình QUAL2K để để tính toán, mô hình hóa chất lƣợng nƣớc
mặt sông Cà Lồ theo không gian, và theo các kịch bản quản lý.
Phạm vi nghiên cứu: Để có cơ sở đánh giá chất lƣợng nƣớc mặt tỉnh Vĩnh
Phúc và đƣa ra các biện pháp quản lý, trong phạm vi đề tài chọn sông Cà Lồ tỉnh
Vĩnh Phúc làm đối tƣợng nghiên cứu, trong đó sẽ tập trung nghiên cứu mô hình hóa
cho một đoạn sông Cà Lồ chảy qua huyện Bình Xuyên, tỉnh Vĩnh Phúc. Các thông

số chất lƣợng chủ yếu đƣợc nghiên cứu và đánh giá gồm: DO, BOD5, NH4+, NO3-,
PO43-.
Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới:
Luận văn đã mô phỏng đƣợc chất lƣợng nƣớc mặt sông Cà Lồ theo kịch bản
hiện trạng và các kịch bản trong tƣơng lai năm 2020. Trên cơ sở kết quả nghiên cứu
đã đề xuất một số biện pháp quản lý chất lƣợng nƣớc mặt của sông Cà Lồ nói riêng
và nƣớc mặt tỉnh Vĩnh Phúc nói chung.
Phƣơng pháp nghiên cứu:
Phƣơng pháp mô hình hóa bằng phần mềm QUAL2K để tính toán, mô phỏng
chất lƣợng nƣớc.
Phƣơng pháp phân tích và tổng hợp tài liệu.

11


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ MỘT
SỐ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CHẤT LƢỢNG NƢỚC SÔNG
1.1. Tổng quan về tỉnh Vĩnh Phúc
1.1.1. Vị trí địa lý [14]
Vĩnh Phúc nằm trong khu vực châu thổ sông Hồng thuộc vùng trung du và
miền núi phía Bắc. Tổng diện tích tự nhiên là 123.176,43 ha và có 9 đơn vị hành
chính, bao gồm: thành phố Vĩnh Yên, thị xã Phúc Yên và 7 huyện: Lập Thạch, Sông
Lô, Tam Dƣơng, Bình Xuyên, Tam Đảo, Vĩnh Tƣờng, Yên Lạc với 112 xã, 12 thị
trấn, 13 phƣờng.

Hình 1.1. Bản đồ tỉnh Vĩnh Phúc
Tỉnh Vĩnh Phúc tiếp giáp với các tỉnh:
- Phía Tây Bắc giáp với tỉnh Tuyên Quang;

12

- Phía Đông Bắc giáp với tỉnh Thái Nguyên;
- Phía Đông Nam - Nam giáp với Thành phố Hà Nội;
- Phía Tây giáp với tỉnh Phú Thọ.
Vĩnh Phúc là tỉnh thuộc vùng kinh tế trọng điểm phía bắc, vành đai thành
phố vệ tinh của thủ đô Hà Nội, là nơi thuận tiện cho giao lƣu, buôn bán, vận chuyển
hàng hoá và hành khách với nhiều tuyến đƣờng quan trọng chạy qua nhƣ: Quốc lộ
2A, đƣờng sắt Hà Nội - Lào Cai, gần sân bay quốc tế Nội Bài và hiện đƣờng Xuyên
Á đang xây dựng.
1.1.2. Địa hình, địa mạo
Vĩnh Phúc là tỉnh thuộc vùng đồng bằng Bắc Bộ nhƣng địa hình tƣơng đối
phức tạp, bao gồm cả địa hình miền núi (huyện Tam Dƣơng và huyện Bình Xuyên);
địa hình trung du (huyện Lập Thạch), còn lại là các huyện có địa hình đồng bằng.
Địa hình Vĩnh Phúc dựa lƣng vào dãy núi Tam Đảo ở phía Đông - Bắc với đỉnh núi
Đạo Trù cao 1.592m cũng là đỉnh của tam giác châu thổ sông Hồng. Phía Tây Nam
bao bọc bởi sông Lô và sông Hồng với dạng địa hình thuỷ thế đa dạng, địa hình cao
nhất là dãy núi Tam Đảo thấp dần từ Tây Bắc xuống Đông Nam và chia làm 3 vùng
sinh thái: Đồng bằng, trung du và vùng núi.
1.1.3. Tài nguyên rừng
Đất lâm nghiệp của tỉnh hiện có 30.236,08 ha, chiếm 22,0% tổng diện tích
tự nhiên. Trong đó, rừng tự nhiên 9.591,47 ha (2003), chiếm 31,72% tổng đất lâm
nghiệp, rừng trồng 20.640,87ha, chiếm 68,27%. Độ che phủ rừng của tỉnh năm
2004 Đạt 23,14% và dự kiến năm 2005 Đạt 23,7%.
Đất lâm nghiệp của tỉnh đã có xu hƣớng tăng từ 26.007,92 ha năm 1997 lên
30.236,08 ha năm 2003, trong đó, đất rừng trồng tăng mạnh, từ 15.434,52 ha năm
1997 lên 20.640,87ha năm 2003, song đất có rừng tự nhiên đã giảm khoảng 1.000
ha. Mục tiêu quan trọng nhất đối với quỹ rừng ở đây là bảo vệ môi trƣờng, đảm bảo
cân bằng sinh thái, chống xói mòn đất canh tác, giảm lũ xô cho vùng hạ du và phát
triển du lịch. Khôi phục vốn rừng đã mất, trồng thêm và tái tạo quỹ rừng là một

13


trong những nhiệm vụ cần đƣợc quan tâm đặc biệt trong các chƣơng trình bảo vệ
môi trƣờng sinh thái của tỉnh.
1.1.4. Tài nguyên nước mặt [14]
Nằm ở trung lƣu của hệ thống sông Hồng, Vĩnh Phúc tiếp nhận nguồn nƣớc
của 3 sông lớn là sông Đà, sông Thao, sông Lô và sông Phó Đáy. các sông nội địa
(sông Phan, sông Cà Lồ, sông Cầu Tôn, sông Tranh), các đầm lớn trong tỉnh (đầm
Vạc, đầm Rƣng,...). Các sông suối trên đều mang tính chất sông đồng bằng có đặc
điểm chung của các sông khu vực Bắc bộ, các sông đã cung cấp nƣớc đồng thời
cũng là nơi nhận nƣớc tiêu cho Vĩnh Phúc.
1.2. Một số mô hình mô phỏng chất lƣợng nƣớc sông
Trên cơ sở mối quan hệ giữa các quá trình, các yếu tố hình thành và ảnh
hƣởng đến chất lƣợng nguồn nƣớc, các mô hình chất lƣợng nƣớc đƣợc 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 lƣợng nƣớc và xu thế biến đổi chất lƣợng
nguồn nƣớc [5].
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 lƣợng nƣớc theo thời gian trong không gian
của dòng chảy. Việc thiết lập mô hình dựa trên cơ sở giải phƣơng trình tải và tải phân tán các chất ô nhiễm trong dòng chảy. Các yếu tố đặc trƣng về dòng chảy
đƣợc xác định từ các mô hình thủy lực, các số liệu thống kê hoặc đo thực nghiệm
nhƣ các mô hình QualI, II; Stream I, II...[5]
Mô hình mô phỏng sự hình thành chất lƣợng nguồn nƣớc Mô phỏng sự hình
thành các nguồn gây ô nhiễm (các nguồn thải và tải lƣợng các chất thải) và sự thay
đổi chất lƣợng nƣớc 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 nhƣ
WSHMM, MIKE SYSTEM [5].
Với các mục đích nghiên cứu, mô phỏng trên các đối tƣợng khác nhau nên

các mô hình chất lƣợng nƣớc rất phong phú và đa dạng. Theo hƣớng dẫn của ngân
hàng thế giới (WB) trong lĩnh vực ngăn ngừa và giảm thiểu ô nhiễm đối với các dự
14


án phát triển thƣờng sử dụng các phần mền sau để tính toán mô phỏng chất lƣợng
nƣớc [5]:
- Mô hình HSPF (Hydrological Simulation Program Fortran (USEPA)
(1984)): Mô phỏng trong không gian 2 chiều ở trạng thái động lực với các thông số
chất lƣợng nƣớc: Các chất hoà tan, SS, DO, các chất dinh dƣỡng và các loại vi
khuẩn chỉ thị. Dự báo xu thế thay đổi chất lƣợng nƣớc trong dòng chảy sau các trận
mƣa và các thông tin về việc thu nƣớc ở các kênh.
- Mô hình SWMM (Storm Water Management Model ): Phát triển trên cơ sở
mô hình HSPF, tính toán xu thế biến đổi chất lƣợng nƣớc cho cả một lƣu vực
sông...với các nguồn thải không điểm. Mô hình SWMM là mô hình 1 chiều với
trạng thái động lực mô phỏng sự chảy tràn nƣớc mƣa qua các vùng đất nông nghiệp
và các khu vực đô thị với các thông tin về dòng chảy của các hệ thống thu gom
nƣớc.
- Mô hình WAPS (USEPA): Ghép nối mô hình thuỷ lực (DYNHYD) với mô
hình lan truyền chất (WAPS), mô phỏng sự lan truyền và chuyển hóa các chất ô
nhiễm trong dòng chảy. Tùy theo mục đích, số liệu đầu vào và các thông tin cơ sở
về các quá trình chuyển hóa các chất trong dòng chảy, có thể sử dụng để tính toán ở
các dạng đơn giản, cải tiến hay phức tạp.
- Hệ thống MIKE: Trong những năm 1990, viện thủy lực Đan mạch đã thiết
lập hệ thống mô hình chất lƣợng nƣớc cho kênh, sông. Hệ thống này có thể tính
toán sự lan truyền chất ô nhiễm trong dòng chảy từ các nguồn khác nhau vào các
lƣu vực khác nhau. Tùy thuộc đối tƣợng nghiên cứu, yêu cầu tính toán các thông số
chất lƣợng nƣớc trong dòng chảy sông, cửa sông, hồ hay biển mà áp dụng các phiên
bản khác nhau nhƣ MIKE 11, MIKE 21, MIKE 3, MIKE SHE, MIKE MOUSE và
MIKE BASIN.

+ Ƣu điểm:
- Là phần mềm thƣơng mại nên phần giao diện rất mạnh, hữu hiệu.
- Phần kết nối với công cụ GIS rất mạnh kể cả tạo database (mặc dù phải cần
thêm các phần mềm GIS nhƣ Arc View, ArcGis,…)

15


- Các tiện ích đầy đủ, dễ cho ngƣời sử dụng.- Thuận tiện cho việc giải quyết
các bài toán vừa và nhỏ.
+ Nhƣợc điểm:
- Khi phải tính các bài toán lớn thì Mike 11 đòi hỏi nhiều thời gian tính trên
máy, không thuận tiện cho giai đoạn chạy và hiệu chỉnh vì phải chạy rất nhiều lần
mới hiệu chỉnh đƣợc một tham số nên tốn nhiều thời gian.
- Độ chính xác của kết quả tính, đặc biệt cho các bài toán lan truyền chất
nhiều khi không đảm bảo do bản chất thuật toán đƣợc sử dụng (khuếch tán số dẫn
đến nồng độ âm hoặc nồng độ sát biên lớn hơn biên khi không có nguồn trong
miền)
- Là phần mềm thƣơng mại nên giá thành rất đắt
- Nhiều nghiên cứu trong nƣớc đã sử dụng mô hình mike 11 để làm công cụ
tính toán thủy lực và chất lƣợng nƣớc. Nhƣng sau khi hoàn thành dự án thì không
chuyển giao công nghệ đƣợc vì các cơ quan hƣởng lợi từ dự án không có bản quyền
sử dụng mike 11 và dự án cũng không có đủ kinh phí để mua phần mềm.
- Mô hình WQRRS (Water quality for River ): Ghép nối mô hình Qual II với
mô hình tính toán sự lan truyền chất ô nhiễm trong các hồ chứa nƣớc. Tính toán 1, 2
chiều cho hệ thống sông - hồ ở trạng thái động lực với số liệu đầu ra là chất lƣợng
nƣớc sông làm số liệu đầu vào cho mô hình chất lƣợng nƣớc hồ.
- Mô hình QUAL2K:
Mô hình QUAL2K là mô hình chất lƣợng nƣớc sông tổng hợp và toàn diện
đƣợc phát triển do sự hợp tác giữa trƣờng Đại học Tufts University và Trung tâm

mô hình chất lƣợng nƣớc của Cục môi trƣờng Mỹ. Mô hình này đƣợc sử dụng rộng
rãi để dự đoán hàm lƣợng tải trọng của các chất thải cho phép thải vào sông. Mô
hình cho phép mô phỏng 15 thành phần thông số chất lƣợng nƣớc sông bao gồm
nhiệt độ, BOD5, DO, tảo dƣới dạng chlorophyl, nitơ hữu cơ (Norg), nitrit (N-NO2),
nitrat (N-NO3-), phốt pho hữu cơ (Porg), phốt pho hoà tan, coliform và 3 thông số
khác ít biến đổi trong nƣớc [7].

16


Ƣu điểm:
Mô hình có thể áp dụng cho các sông nhánh xáo trộn hoàn toàn. Với giả thiết
rằng cơ chế vận chuyển chính của dòng là lan truyền và phân tán dọc theo hƣớng
chính của dòng (trục chiều dài của dòng và kênh). Mô hình cho phép tính toán với
nhiều nguồn thải, các điểm lấy nƣớc cấp, các nhánh phụ và các nguồn vào và nguồn
ra. Mô hình QUAL2K cũng có thể tính toán lƣu lƣợng cần thiết thêm vào để đạt
đƣợc giá trị oxy hoà tan theo tiêu chuẩn [7].
Về mặt thuỷ lực mô hình QUAL2K có thể tính toán đƣợc ở hai chế độ là
trạng thái ổn định và trạng thái động. Ở trạng thái ổn định, mô hình có thể đƣợc sử
dụng để tính toán nghiên cứu ảnh hƣởng của tải trọng chất thải (cƣờng độ, chất
lƣợng và vị trí) đối với chất lƣợng nƣớc sông và cũng có thể sử dụng liên kết với
chƣơng trình lấy mẫu thực địa để nhận diện các đặc tính cƣờng độ và chất lƣợng
của tải trọng từ các nguồn diện (nonpoint sources). Ở trạng thái động, mô hình
QUAL2K có thể đƣợc sử dụng để nghiên cứu ảnh hƣởng do sự thay đổi khí hậu
hằng ngày đối với chất lƣợng nƣớc (ôxy hoà tan nhiệt độ) và cũng có thể nghiên
cứu sự thay đổi oxy hoà tan hằng ngày do sự hô hấp và tăng trƣởng của tảo [7].
QUAL2K là mô hình ứng dụng mã nguồn mở và có tính ứng dụng cao trong
thực tế và dễ dàng trong chuyển giao, sử dụng. Nhiều nghiên cứu tại các quốc gia
trên thế giới đã ứng dụng mô hình QUAL2K để mô phỏng chất lƣợng nƣớc tại một
số lƣu vực sông do có có thiết kế đơn giản, tính toán dựa trên các cơ sở khoa học.

Nhƣợc điểm:
QUAL2K là mô hình một chiều tính toán với điều kiện dòng chảy và tải
lƣợng nguồn thải đều. Kết quả tính toán các thông số chất lƣợng nƣớc trong mô
hình đƣợc thể hiện dƣới dạng đồ thị theo dọc chiều dài dòng chảy.
Mô hình QUAL2K có một số hạn chế nhƣ chỉ mô phỏng một chiều và chỉ áp
dụng đƣợc cho sông không quá rộng và không tính toán đƣợc ảnh hƣởng của thủy
triều [16].

17


1.3. Giới thiệu về sông Cà Lồ
Để có cơ sở đánh giá chất lƣợng nƣớc mặt tỉnh Vĩnh Phúc và đƣa ra các biện
pháp quản lý, trong phạm vi đề tài chọn sông Cà Lồ tỉnh Vĩnh Phúc làm đối tƣợng
nghiên cứu, trong đó sẽ tập trung nghiên cứu mô hình hóa cho một đoạn sông Cà Lồ
chảy qua huyện Bình Xuyên, tỉnh Vĩnh Phúc. Đoạn sông nghiên cứu hiện nay đang
là môi trƣờng tiếp nhận của rất nhiều nguồn thải khác nhau nhƣ: Sinh hoạt, công
nghiệp, nông nghiệp….
Theo quy hoạch phát triển kinh tế xã hội huyện Bình Xuyên, đến năm 2020
tất cả các nguồn thải phải đƣợc xử lý đạt tiêu chuẩn môi trƣờng trƣớc khi thải ra
ngoài môi trƣờng (theo Quyết định số 01/2012/QĐ-UBND ngày 10/1/2012 của
UBND tỉnh Vĩnh Phúc về việc ban hành quy định phân vùng môi trƣờng tiếp nhận
nƣớc thải và khí thải trên địa bàn tỉnh vĩnh phúc thì đến năm 2015 các nguồn thải
trƣớc khi đổ vào sông Cà Lồ phải đạt loại A theo QCVN), tuy nhiên, hầu hết các
nguồn thải chƣa đƣợc xử lý theo quy chuẩn và đang suy giảm chất lƣợng nƣớc sông
Cà Lồ theo thời gian.
Sông Cà Lồ có chiều rộng không lớn do đó khi áp dụng mô hình QUAL2K
sẽ phù hợp.
Do đó, trong phạm vi đề tài sẽ tập trung nghiên cứu mô hình hóa cho một
đoạn sông Cà Lồ chảy qua huyện Bình Xuyên, tỉnh Vĩnh Phúc để có cơ sở đề xuất

các biện pháp quản lý phù hợp.
Các thông số chất lƣợng chủ yếu đƣợc nghiên cứu và đánh giá gồm: DO,
BOD5, NH4-, NO3-, PO43-.
1.3.1. Lưu vực sông Cà Lồ
Sông Cà Lồ đƣợc tính từ Hƣơng Canh huyện Bình Xuyên, sông chảy qua thị
xã Phúc Yên, tỉnh Vĩnh Phúc, huyện Mê Linh, huyện Sóc Sơn, thành phố Hà Nội và
nhập vào sông Cầu tại ngã ba Xá (gần trạm thuỷ văn Phúc Lộc Phƣơng), xã Tam
Giang, huyện Yên Phong, tỉnh Bắc Ninh. Chiều dài sông 89 km, diện tích lƣu vực
881 km2.

18


Nguồn nƣớc sông Cà Lồ ngày nay chủ yếu là nƣớc các sông, suối bắt nguồn
từ núi Tam Đảo, núi Sóc Sơn, lƣu lƣợng bình quân khoảng 28,4m3/giây. Lƣu lƣợng
cao nhất về mùa mƣa là 286m3/giây. Tác dụng chính là tiêu úng mùa mƣa. Riêng
khúc sông đầu nguồn cũ, từ Vạn yên đến sông Cánh đã đƣợc đắp chặn lại ở gần
thôn Đại Lợi (Mê Linh), dài gần 20km, biến thành một hồ chứa nƣớc lớn tƣới ruộng
và nuôi cá [14].
Sông Cà Lồ có vai trò cung cấp nƣớc cho sản xuất nông nghiệp, tiêu úng
mùa mƣa và đồng thời cũng là nơi tiếp nhận các nguồn thải đô thị, khu dân cƣ và
công nghiệp.

Hình 1.2. Sông Cà Lồ chảy qua địa phận tỉnh Vĩnh Phúc

19


1.3.2. Nguồn gây ô nhiễm nước mặt sông Cà Lồ
1.3.2.1. Nguồn tự nhiên

Môi trƣờng nƣớc mặt sông Cà Lồ có thể bị ô nhiễm do mƣa, lũ lụt, gió bão…
hoặc do các sản phẩm hoạt động sống của sinh vật. Tuy nhiên, ô nhiễm nƣớc do các
yếu tố tự nhiên (xói mòn, bão, lụt,...) có thể rất nghiêm trọng, nhƣng không thƣờng
xuyên, và không phải là nguyên nhân chính gây suy thoái chất lƣợng nƣớc.
1.3.2.2. Nguồn nhân tạo
a. Từ sinh hoạt của ngƣời dân
Nƣớc thải sinh hoạt chƣa qua xử lý thải trực tiếp ta môi trƣờng nguyên nhân
lớn gây ô nhiễm nƣớc mặt sông Cà Lồ, do trong nƣớc thải sinh hoạt có chứa hàm
lƣợng các chất gây ô nhiễm cao nhƣ chất hữu cơ, vi trùng,... Tại các địa phƣơng trên
địa bàn tỉnh Vĩnh Phúc hầu hết chƣa có hệ thống xử lý nƣớc thải nói chung và nƣớc
thải sinh hoạt nói riêng, nƣớc thải do đó đƣợc thải trực tiếp ra môi trƣờng đã và
đang là nguyên nhân quan trọng dẫn đến ô nhiễm môi trƣờng, đặc biệt là nguồn
nƣớc mặt.
Nƣớc rỉ rác từ các bãi rác, các điểm tập kết rác tạm thời, rác đổ bừa bãi cũng
là nguyên nhân gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nƣớc, vì đặc trƣng của loại nƣớc
thải này là chứa hàm lƣợng các chất ô nhiễm cao, độ màu lớn.
b. Ảnh hƣởng từ hoạt động nông nghiệp
Hàng năm ngành chăn nuôi gia súc, gia cầm thải ra môi trƣờng một lƣợng
lớn chất thải gồm cả rắn và lỏng. Lƣợng chất thải này hầu hết chƣa đƣợc xử lý trƣớc
khi thải ra môi trƣờng. Trong những năm qua ngành chăn nuôi của tỉnh phát triển
khá nhanh và quy mô hơn, theo số liệu điều tra của Trung tâm Tài nguyên và Bảo
vệ môi trƣờng tỉnh Vĩnh Phúc thực hiện năm 2009 thì lƣợng chất thải rắn từ chăn
nuôi hàng năm là trên 20.000 tấn/năm và có khoảng 518.000 m3/năm chất thải lỏng,
lƣợng chất thải đƣợc xử lý chỉ khoảng 40–50%, tuy nhiên việc xử lý cũng chƣa đảm
bảo quy định cho phép trƣớc khi thải ra môi trƣờng, chất thải chăn nuôi chứa hàm
lƣợng các chất hữu cơ cao, mùi khó chịu, là một trong những nguyên nhân gây ra ô
nhiễm nguồn nƣớc mặt.
20

Bên cạnh đó, các hoạt động sản xuất nông nghiệp khác cũng góp gây ô
nhiễm nguồn nƣớc. Hàng năm, lƣợng phân bón và hóa chất bảo vệ thực vật sử dụng
trong nông nghiệp là rất lớn, dƣ lƣợng thuốc bảo vệ thực vật và phân khoáng là
nguyên nhân gây phú dƣỡng hoặc nhiễm độc nguồn nƣớc.
c. Ảnh hƣởng từ phát triển công nghiệp và dịch vụ
Nƣớc mặt sông Cà Lồ là nơi tiếp nhận cuối cùng của nƣớc thải KCN huyện
Bình Xuyên. Hiện nay, việc tăng nhiều nhà máy, xí nghiệp KCN Bình Xuyên với
quy mô lớn dẫn đến nhu cầu về nguồn nƣớc tăng, không những nƣớc phục vụ cho
sản xuất mà còn phục vụ sinh hoạt cho một số lƣợng lớn công nhân từ nhiều vùng
khác nhau tập trung về. Sự khai thác quá mức nƣớc để sử dụng cho sinh hoạt và sản
xuất cùng với sự gia tăng về lƣợng thải gây áp lực ngày càng lớn đến chất lƣợng
môi trƣờng nƣớc mặt.
d. Ảnh hƣởng do một số nguyên nhân khác
Hệ thống kênh rạch không đƣợc nạo vét dẫn đến tích tụ một khối lƣợng lớn
các vật chất hữu cơ từ nƣớc thải, rác thải gây bồi lắng và ảnh hƣởng đến việc tiêu
thoát của dòng nƣớc.
Các dòng nƣớc mặt trên sông, kênh rạch còn bị ô nhiễm do xăng dầu của các
tàu bè đi lại, hoặc các sự cố vận chuyển khác trên sông.
Ảnh hƣởng do chƣa có ý thức về sử dụng và bảo vệ nguồn nƣớc nhƣ sử dụng
bừa bãi hoang phí, không đúng mục đích sử dụng.
Khả năng tự làm sạch của tự nhiên bị suy giảm cũng là nguyên nhân khiến ô
nhiễm nguồn nƣớc ngày càng trở lên nghiêm trọng. Hiện nay các nguồn nƣớc mặt
hầu hết bị ô nhiễm bởi nƣớc thải sinh hoạt, nƣớc thải công nghiệp, nông nghiệp và
rác thải... Các chất ô nhiễm sẽ tạo thành một lƣợng dƣ chất phá vỡ chu trình. Sự ô
nhiễm quá mức sẽ làm cho nhiều chất hữu cơ không ổn định, cơ chế cân bằng của
sinh vật, sự cung cấp oxy,.. diễn ra không bình thƣờng dẫn đến làm mất khả năng tự
làm sạch của nƣớc, hơn nữa khả năng tự làm sạch của nƣớc sẽ diễn ra không hiệu
quả khi trong nƣớc thải có chứa các chất độc hại đối với sự sống của các vi sinh vật,
quá trình tự làm sạch của nƣớc chỉ diễn ra khi các chất độc hại trong nƣớc bị tiêu

21


tan hoặc pha loãng. Mặt khác, diện tích mặt nƣớc cũng đang bị thu hẹp do chuyển
mục đích hoặc lấn chiếm, làm giảm diện tích lƣu chứa nƣớc thải, càng làm giảm
khả năng tự làm sạch của nƣớc.
1.3.2.3. Hiện trạng quản lý chất lƣợng nƣớc sông Cà Lồ
Để có cơ sở bảo vệ nguồn nƣớc mặt UBND tỉnh Vĩnh Phúc đã có quyết định
số 01/2012/QĐ-UBND ngày 10/1/2012 về việc ban hành quy định phân vùng môi
trƣờng tiếp nhận nƣớc thải và khí thải trên địa bàn tỉnh vĩnh phúc, trong đó quy định
đến năm 2015 tất cả nƣớc thải vào sông Cà Lồ phải đƣợc xử lý đạt loại A theo quy
chuẩn Việt Nam trƣớc khi thải vào môi trƣờng.
Tuy nhiên, hiện nay trên địa bàn tỉnh Vĩnh Phúc mới chỉ quan tâm quản lý
chất lƣợng nƣớc thải của các Công ty, xí nghiệp và nƣớc thải từ các KCN, còn đối
với nƣớc thải sinh hoạt của ngƣời dân từ các khu dân cƣ và nƣớc thải phát sinh từ
hoạt động chăn nuôi vẫn chƣa có sự quản lý về chất lƣợng nƣớc thải.
Trên địa bàn tỉnh Vĩnh Phúc đã có dự án cải tạo môi trƣờng, cảnh quan sinh
thái sông Phan, tuy nhiên mới chỉ thực hiện thí điểm và chƣa có hiệu quả. Đối với
sông Cà Lồ vẫn chƣa đƣợc quan tâm chỉ đạo để thực hiện cải tạo môi trƣờng, cảnh
quanh sinh thái.

22


CHƢƠNG 2. MÔ HÌNH QUAL2K
2.1. Sự phân đoạn trong QUAL2K [16]
Mô hình QUAL2K sẽ chia hệ thống sông thành các đoạn sông (reaches), các
đoạn sông này là một phần dòng chảy có đặc tính thuỷ lực tƣơng đối đồng nhất.
Mỗi đoạn sông này lại đƣợc chia thành nhiều phân tử hay phân tố tính toán
(computational element) có chiều dài bằng nhau. Do đó, tất cả các đoạn sông có bao

gồm một số nguyên các phân tử tính toán [16].
Có tất cả 7 loại phân tử tính toán khác nhau nhƣ sau [16]:
-

Phân tử thƣợng nguồn (headwater element)
Phân tử chuẩn hay phân tử mẫu (standard element)
Phân tử cận nối tiếp (element just upstream from a junction).
Phân tử nối tiếp (junction element)
Phân tử cuối cùng trong hệ thống (last element in system)
Phân tử nƣớc đi vào (input element)
Phân tử nƣớc đi ra (withdrawal element)

Hình 2.1. Sự phân đoạn của QUAL2K trong hệ thống sông không có nhánh
[16]

23


Hình 2.2. Sự phân loại của QUAL2K cho trƣờng hợp sông với các nhánh: (a) là
hệ thống thực, (b) là hệ thống đƣợc biểu diễn trong QUAL2K [16]
Phân tử thƣợng nguồn bắt đầu mỗi nhánh sông (hay phụ lƣu) cũng nhƣ hệ
thống sông chính, vì vậy nó là phân tử tính toán đầu tiên trong đoạn sông thƣợng
lƣu (headwater reach).
Phân tử chuẩn là một phân tử không đƣợc xếp vào sáu loại phân tử còn lại.
Lƣu lƣợng bổ sung (incremental) vào cho phép có ở tất cả các phân tử, đối
với phân tử chuẩn chỉ có dòng chảy vào là lƣu lƣợng bổ sung.
Phân tử loại cận nối tiếp là phân tử cận nối tiếp đƣợc sử dụng để chỉ một
phân tử trên tuyến chính mà nó nằm kế ngay phân tử nối tiếp về phía thƣợng nguồn.
Phân tử nối tiếp là phần tử có sông nhánh (đƣợc đƣa vào mô hình) chảy vào.
Phân tử cuối cùng trong hệ thống là phân tử tính toán cuối cùng trong hệ

thống sông, do đó chỉ có duy nhất một phân tử loại này.
Phân tử nƣớc đi vào là phân tử tiếp nhận tải trọng chất thải và nhánh sông
không đƣợc đƣa vào tính toán trong mô hình. Phân tử nƣớc đi ra là phần tử từ đó
nƣớc bị lấy ra (tại vị trí lấy nƣớc cấp).
Các đoạn sông (tập hợp của các phần tử tính toán) là cơ sở của tất cả các dữ
liệu đƣa vào mô hình. Các dữ liệu về thuỷ lực, hằng số tốc độ phản ứng, các điều

24


kiện ban đầu, các số liệu về lƣu lƣợng bổ sung là không đổi cho tất cả các phần tử
tính toán trong một đoạn sông.

Hình 2.3. Sự phân đoạn trong QUAL2K thành các phần tử tính toán [16]
2.2. Cân bằng lƣu lƣợng [16]
Trạng thái cân bằng lƣu lƣợng đƣợc thực hiện cho mỗi khúc (reach) sông:

Qi  Qi 1  Qin ,i  Qout ,i

(1)

Trong đó:


Qi : Lƣu lƣợng ra từ khúc sông thứ i vào khúc sông thứ i+1



Qi 1 : Lƣu lƣợng vào khúc i từ khúc sông phía trên nó (theo

dòng chảy) i-1
 Qin ,i : Tổng lƣu lƣợng chảy vào khúc từ các nguồn điểm hoặc
nguồn diện
 Qout ,i : Tổng lƣu lƣợng chảy ra từ khúc i từ các nguồn điểm hay
nguồn diện (không phải dạng điểm)

Qin,i

i1

Qout,i

Qi1

Qi
i

i+1

Hình 2.4. Sự cân bằng lƣu lƣợng của khúc sông i
Tổng lƣu lƣợng đi vào khúc i đƣợc tính theo công thức:

25