Ứng dụng phương pháp mô hình hóa dự đoán diễn biến chất lượng nước sông cầu đoạn chảy qua tỉnh thái nguyên và đề xuất giải pháp quản lý phù hợp

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA DỰ ĐOÁN
DIỄN BIẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG CẦU ĐOẠN
CHẢY QUA TỈNH THÁI NGUYÊN VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI
PHÁP QUẢN LÝ PHÙ HỢP
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

NGUYỄN TƯỜNG KHƯƠNG DUY

HÀ NỘI, NĂM 2018


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA DỰ ĐOÁN
DIỄN BIẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG CẦU ĐOẠN
CHẢY QUA TỈNH THÁI NGUYÊN VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI
PHÁP QUẢN LÝ PHÙ HỢP
NGUYỄN TƯỜNG KHƯƠNG DUY
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
MÃ SỐ: 60440301
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1
PGS.TS. HOÀNG ANH HUY
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 2
TS. PHẠM THỊ MAI THẢO

HÀ NỘI, NĂM 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu được thực hiện bởi chính
tôi trong khoảng thời gian học tập và nghiên cứu theo quy định. Các số liệu,
kết quả nghiên cứu trong luận văn đều đảm bảo tính trung thực, khoa học và
chưa được công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào bởi một tác giả khác
không thuộc nhóm nghiên cứu. Mọi số liệu kế thừa trong luận văn đều
được sự đồng thuận của tác giả và có nguồn gốc rõ ràng.

Hà Nội, tháng

năm 2018

Học viên

Nguyễn Tường Khương Duy

i


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin trân trọng cảm ơn đến Ban giám hiệu, các thầy cô
giáo Khoa Môi trường, các thầy cô giáo Trường Đại học Tài nguyên và Môi
trường Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em trong thời gian học
tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn tới
PGS.TS. Hoàng Anh Huy và TS. Phạm Thị Mai Thảo, trong suốt thời gian học
tập và nghiên cứu đã luôn giúp đỡ, hướng dẫn tận tình em trong việc

giải quyết các vấn đề nghiên cứu và ủng hộ, động viên, hỗ trợ để em có thể
hoàn thành luận văn của mình.
Em xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Trung tâm Quan trắc môi trường Tổng cục Môi trường đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học
tập và công tác. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới toàn thể bạn bè đồng
nghiệp tại phòng Hệ thống Quan trắc môi trường, phòng Hệ thống thông tin
báo cáo môi trường và Phòng Thí nghiệm môi trường đã động viên, giúp đỡ
em trong quá trình thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn chính quyền địa phương, lãnh đạo các công ty, xí
nghiệp, các phòng ban chuyên môn trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên đã
nhiệt tình cộng tác và giúp đỡ em trong quá trình điều tra, khảo sát và thu
thập số liệu tại hiện trường. Đặc biệt, chân thành cảm ơn Ủy ban nhân dân
tỉnh Thái Nguyên, Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thái Nguyên, Trung tâm
Tư vấn và Công nghệ Môi trường – Tổng cục Môi trường đã tạo điều kiện
cho phép em được tiếp cận và trích dẫn nguồn tư liệu, số liệu khổng lồ từ
các báo cáo cần thiết phục vụ cho công tác hoàn thành Luận văn.
Cuối cùng, em xin tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè những người đã
quan tâm, ủng hộ em hoàn thành công việc học tập và nghiên cứu một cách
tốt nhất.
Hà Nội, tháng

năm 2018

Học viên

Nguyễn Tường Khương Duy
ii


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ...............................................................................................İ
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... İİ
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT......................................................................... V
DANH MỤC HÌNH .........................................................................................Vİ
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................... Vİİ
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN .............................. 3
1.1. Mô hình hóa chất lượng nước ...............................................................................
3
1.2. Các nghiên cứu ứng dụng mô hình chất lượng nước trên thế giới .......................
5
1.3. Các nghiên cứu ứng dụng mô hình chất lượng nước trong nước có liên quan .....
7
1.4. Kết quả nghiên cứu, ứng dụng mô hình MIKE 11 để đánh giá chất lượng nước
trên thế giới và ở Việt Nam ......................................................................................... 8
1.5. Bộ phần mềm mô hình MIKE 11........................................................................ 13
1.6. Vị trí nghiên cứu .................................................................................................
20

CHƯƠNG II. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
.......................................................................................................................... 37
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................
37
2.2. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................
38
2.2.1. Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu ......................................................... 38
2.2.2. Phương pháp điều tra khảo sát thực địa và thu thập nguồn thải ..................
39
2.2.3. Phương pháp quan trắc và phân tích mẫu....................................................
39

2.2.4. Phương pháp ứng dụng mô hình hóa........................................................... 41
2.2.5. Phương pháp dự báo diễn biến ....................................................................
48
2.2.6. Phương pháp xử lý số liệu và viết báo cáo .................................................. 48

CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................. 50
3.1. Kết quả khảo sát chất lượng nước lưu vực sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái
Nguyên
50

.......................................................................................................................
3


3.2. Vị trí nguồn thải và dữ liệu đầu vào mô hình ..................................................... 54
3.3. Kết quả ứng dụng mô hình Mike 11 ................................................................... 62
3.3.1. Dự báo sự thay đổi chất lượng nước sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái
Nguyên
năm
66

2020....................................................................................................................

3.3.2. Dự báo sự thay đổi chất lượng nước sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái
Nguyên
năm
69

2030....................................................................................................................

3.4. Một số giải pháp quản lý phù hợp nhằm kiểm soát ô nhiễm nguồn nước
sông
Cầu đoạn chảy qua địa bàn tỉnh Thái Nguyên ...........................................................
72

4


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................ 78
TÀİ LİỆU TİẾNG VİỆT .................................................................................. 78
TÀİ LİỆU TİẾNG ANH .................................................................................. 80
PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ QUAN TRẮC MÔİ TRƯỜNG NƯỚC MẶT LƯU
VỰC SÔNG CẦU ĐOẠN CHẢY QUA ĐỊA BÀN TỈNH THÁİ NGUYÊN 81
PHỤ LỤC 2: MỘT SỐ HÌNH ẢNH THỰC TẾ .............................................. 85
PHỤ LỤC 3: CÁC ĐİỂM QUAN TRẮC, LẤY MẪU TRÊN ĐOẠN SÔNG
NGHİÊN CỨU ................................................................................................. 87

5


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Giải thích

AD

Mô đun truyền tải khuếch tán

BTNMT

Bộ Tài nguyên và Môi trường

Cv
Ecolab

Hệ số dòng chảy năm
Mô đun sinh thái

EPA

United States Environmental Protection Agency

FDI

Foreign Direct Investment

GDP

Gross Domestic Product

HD

Mô đun thủy động lực học

LVS

Lưu vực sông

QCVN

Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

USACE

United States Army Corps of Engineers

Wo
WHO

Tổng lượng dòng chảy trung bình
World Health Organization

v


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Sự vận chuyển các chất hòa tan trong quá trình truyền tải và khuếch tán...............16
Hình 1.2: Bản đồ hành chính tỉnh Thái Nguyên ......................................................................21
Hình 1.3: Bản đồ sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái Nguyên.................................................26
Hình 2.1: Lưu vực sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái Nguyên ..............................................37
Hình 2.2: Sơ đồ các điểm lấy mẫu trên đoạn sông nghiên cứu................................................39
Hình 2.3: Mạng lưới đoạn sông nghiên cứu ............................................................................42
Hình 2.4: Sơ đồ mạng lưới nguồn thải trên đoạn sông nghiên cứu .........................................42
Hình 2.5: Mạng lưới dòng chảy đoạn sông nghiên cứu ...........................................................43

Hình 2.6: Mạng lưới mặt cắt trên đoạn sông nghiên cứu ........................................................44
Hình 2.7: Mặt cắt một vị trí trên đoạn sông nghiên cứu
..........................................................44
Hình 2.8: Một số hệ số nhám có thể áp dụng trên đoạn sông nghiên cứu
...............................45
Hình 2.9: Lưu lượng biên trên tại điểm Trạm thủy văn Gia Bảy ............................................46
Hình 2.10: Mô hình mô phỏng Module Ecolab .......................................................................46
Hình 2.11: Dữ liệu biên thủy lực .............................................................................................47
Hình 2.12: Các bước ứng dụng mô hình MIKE11 trên đoạn sông ..........................................48
Hình 3.1: Diễn biến DO trên đoạn sông nghiên cứu ...............................................................51
Hình 3.2: Diễn biến BOD5 trên đoạn sông nghiên cứu ...........................................................51
Hình 3.3: Diễn biến NH4+ trên đoạn sông nghiên cứu.............................................................52
Hình 3.4: Diễn biến NO3- trên đoạn sông nghiên cứu .............................................................53
Hình 3.5: Diễn biến PO43- trên đoạn sông nghiên cứu.............................................................53
Hình 3.6: Diễn biến Coliform trên đoạn sông nghiên cứu.......................................................54
Hình 3.7: Kết quả hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước – Thông số DO ................................62
Hình 3.8: Kết quả hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước – Thông số BOD5 ............................62
Hình 3.9: Kết quả hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước – Thông số NH4+ .............................63
Hình 3.10: Kết quả hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước – Thông số NO3- ............................63
Hình 3.11: Kết quả hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước – Thông số PO43- ...........................64
Hình 3.12: Kết quả hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước – Thông số Coliform .....................64
Hình 3.13: Giá trị DO ..............................................................................................................66
Hình 3.14: Giá trị NH4+ ...........................................................................................................66
Hình 3.15: Giá trị NO3- ............................................................................................................67
Hình 3.16: Giá trị BOD5 ..........................................................................................................67
Hình 3.17: Giá trị PO43- ...........................................................................................................67
Hình 3.18: Giá trị Coliform .....................................................................................................68
Hình 3.19: Giá trị DO ..............................................................................................................69
Hình 3.20: Giá trị NH4+ ...........................................................................................................70
Hình 3.21: Giá trị NO3- ............................................................................................................70

Hình 3.22: Giá trị BOD5 ..........................................................................................................70
Hình 3.23: Giá trị PO43- ...........................................................................................................71

vi


Hình 3.24: Giá trị Coliform .....................................................................................................71

vi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Đặc trưng hình thái các sông thuộc lưu vực............................................................24
Bảng 1.2: Đặc trưng dòng chảy năm tại các trạm thủy văn trên lưu vực ................................27
Bảng 2.1: Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu..................................................................40
Bảng 2.2: Phương pháp lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu nghiên cứu ...................................40
Bảng 3.1: Vị trí các nguồn thải trên đoạn sông nghiên cứu.....................................................54
Bảng 3.2: Lượng nước thải sinh hoạt trong địa bản tỉnh [11]..................................................57
Bảng 3.3: Nguồn tiếp nhận nước thải đô thị trên địa bàn Thái Nguyên[11] ...........................57
Bảng 3.4: Nhu cầu sử dụng nước khu dân cư [11] ..................................................................58
Bảng 3.5: Dự báo lưu lượng nước thải sinh hoạt đổ vào đoạn sông căn cứ theo [9]
[11] ........................................................................................................................59
Bảng 3.6: Tổng hợp nhu cầu sử dụng nước căn cứ theo [9] [11] ............................................59
Bảng 3.7: Nhu cầu sử dụng nước cho chăn nuôi căn cứ theo [9] [11].....................................60
Bảng 3.8: Dự báo lượng nước thải nông nghiệp căn cứ theo [9] [11] .....................................60
Bảng 3.9: Nhu cầu sử dụng nước cho công nghiệp căn cứ theo [9] [11].................................61

vii

MỞ ĐẦU
Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật ngày nay dẫn tới sự phát
triển nhanh chóng của sản xuất hàng hóa và quá trình đô thị hóa trên thế giới.
Quá trình phát triển kinh tế xã hội một mặt không ngừng tạo ra các vấn đề về
suy thoái môi trường toàn cầu, đặc biệt ở các nước đang phát triển. Vì
vậy, việc bảo vệ môi trường đang trở thành một vấn đề bức thiết của toàn xã
hội. Trong đó, vấn đề bảo vệ môi trường nước chiếm một vị trí quan trọng.
Lưu vực sông Cầu là một trong những lưu vực sông chính và quan trọng
nhất trong hệ thống sông Thái Bình, có diện tích lưu vực khoảng 6.030 km2,
với chiều dài lưu vực trên 288 km bao gồm toàn bộ hay một phần lãnh thổ
của các tỉnh: Bắc Kạn, Thái Nguyên, Bắc Ninh, Bắc Giang, Vĩnh Phúc,
Hải Dương và Hà Nội. Trong đó vị trí của tỉnh Thái Nguyên đối với khu vực
này tương đối quan trọng. Thái Nguyên là tỉnh có khu gang thép đầu tiên của
cả nước và là địa phương có nhiều cơ sở công nghiệp quan trọng. Mặc
khác, trong xu thế phát triển kinh tế - xã hội của tỉnh trong những năm gần
đây, dưới tác động của các yếu tố tự nhiên và hoạt động của con người, môi
trường nước LVS Cầu đoạn chảy qua tỉnh đang dần có hiện tượng ô nhiễm
nguồn nước, nhiều vấn đề môi trường đã và đang diễn ra rất phức tạp. Chất
lượng nước ở đoạn sông chịu tác động nhiều từ các hoạt động của con người.
Do vậy, để có cơ sở đề xuất các giải pháp quản lý, giải pháp kỹ thuật nhằm
bảo vệ chất lượng nước sông Cầu đoạn chảy qua địa bàn tỉnh Thái Nguyên,
phục vụ an toàn cho cấp nước đồng thời phục vụ cho các mục đích phát
triển bền vững trên toàn lưu vực cần phải áp dụng nhiều phương pháp khác
nhau như mô hình hóa và kết hợp với đo đạc thực địa để lấy số liệu.
Trước lý do đó đề tài: “Ứng dụng phương pháp mô hình hóa dự đoán
diễn biến chất lượng nước sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái Nguyên và đề
xuất giải pháp quản lý phù hợp” được đưa ra nhằm phục vụ công tác

1

quản lý môi trường trong việc đánh giá và dự báo ô nhiễm nước sông
trong thời gian tới.

2


Trên thế giới hiện nay phát triển rất nhiều mô hình chất lượng
nước nhằm thay thế cho phương pháp tính toán giải tích thông thường.
Để giải quyết bài toán chất lượng nước, mô hình Mike 11 đã được lựa chọn
để ứng dụng tại nhiều nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Ưu điểm của
phương pháp sử dụng mô hình Mike 11 là:
- Cung cấp một bức tranh tổng thể với những đáp ứng khác nhau và có
khả năng dự đoán sự biển đổi của môi trường dưới tác động của nhiều yếu tố
tổng hợp.
- Phân tích được mối quan hệ giữa các yếu tố chất lượng nước và tương
tác giữa các yêu tố, các quá trình lan truyền, biến đổi chất trong nước.
Qua nghiên cứu, tác giả đề tài lựa chọn sông Cầu đoạn chảy qua địa bàn
tỉnh Thái Nguyên, bắt đầu từ điểm Trạm thủy văn Gia Bảy xuôi dòng đến
điểm cuối là điểm Tân Phú (đây là điểm trước khi vào hợp lưu giữa sông Công
và sông Cầu, cũng là điểm cuối của sông Cầu trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên)
để nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE 11 trong đánh giá dự báo diễn biến
chất lượng sông.
Mục tiêu của đề tài:
- Đánh giá chất lượng nước sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái Nguyên.
- Ứng dụng mô hình hóa dự đoán diễn biến chất lượng nước sông Cầu
đoạn chảy qua tỉnh Thái Nguyên.
- Đề xuất giải pháp quản lý chất lượng nước cho khu vực nghiên cứu.
Nội dung nghiên cứu:
- Thu thập số liệu, khảo sát, lấy mẫu, phân tích nước sông Cầu đoạn chảy

qua tỉnh Thái Nguyên.
- Ứng dụng mô hình Mike 11 tính toán dự báo ô nhiễm nước mặt sông
Cầu, cụ thể sử dụng mô hình Mike 11 để mô phỏng dự báo 06 yếu tố: DO,
NH4+, NO3-, BOD5, PO43- và Coliform.
- Đề xuất giải pháp quản lý chất lượng môi trường.
3


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN
1.1. Mô hình hóa chất lượng nước
Mô hình hóa là phương pháp nghiên cứu bằng thực nghiệm trên mô
hình của một hiện tượng (quá trình, sự vật,…) thay vì nghiên cứu trực tiếp
hiện tượng ấy ở dạng tự nhiên (thực địa). Quá trình mô hình hóa bao gồm hai
phần là chế tạo mô hình và tiến hành thực nghiệm trên mô hình ấy.
Mô hình hóa chất lượng nước là phương pháp sử dụng các phần mềm
tính toán các chỉ tiêu phản ánh chất lượng nước. Các chỉ tiêu bao gồm: các chỉ
tiêu vật lý, hóa học và các thành phần sinh học của nguồn 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.
a. Phân loại mô hình chất lượng nước và phạm vi ứng dụng
Các mô hình chất lượng nước được chia thành 2 loại: Mô hình tính toán
sự lan truyền, phân bố các chất ô nhiễm trong dòng chảy; 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. Việc 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 Qual I, II; Stream I, II;... Loại

mô hình này có ưu điểm:
- Cho kết quả nhanh về sự lan truyền, phân bố các chất từ các nguồn
thải đến chất lượng nước. Từ 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.
4


Nhược điểm: 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 chất 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 không gian và thời
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,... Loại mô
hình này có các ưu điểm và hạn chế sau:
- 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 có
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 lớn và phức tạp.
- Đánh giá, hiệu chỉnh mô hình cũng như chuẩn hóa các hệ số,...gặp

nhiều 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.
b. Mục đích của phương pháp mô hình hóa
– Làm sáng tỏ vấn đề: chúng ta có thể đưa ra được các lỗi của hệ
thống từ việc tiếp cận trực quan đồ họa hơn là từ các dạng trình bày
nguyên thủy. Hơn nữa, việc mô hình hoá giúp chúng ta dễ dàng hiểu được
cách thức hoạt động của vấn đề.


– Mô phỏng được hình ảnh tương tự: hình thức trình bày của mô hình
có thể đưa ra được một hình ảnh giả lập như hoạt động thực sự của hệ thống
thực tế, giúp cho người tiếp cận cảm thấy thuận tiện khi làm việc với mô hình.
– Gia tăng khả năng duy trì hệ thống: các ký hiệu trực quan có thể cải
tiến khả năng duy trì hệ thống. Thay đổi các vị trí được xác định và việc xác
nhận trực quan trên mô hình các thay đổi đó sẽ giúp làm giảm đi số lượng lỗi.
Do đó, có thể tạo ra các thay đổi nhanh hơn và các lỗi được kiểm soát
hoặc xảy ra ít hơn.
– Làm đơn giản hóa vấn đề: mô hình hoá có thể biểu diễn vấn đề ở
nhiều mức, từ mức tổng quát đến mức chi tiết do đó sẽ càng đơn giản hoá
việc hiểu.
1.2. Các nghiên cứu ứng dụng mô hình chất lượng nước trên thế giới
a. Bộ phần mềm mô hình Streeter – Phelps mở rộng
Được áp dụng để đánh giá chất lượng nước cho sông Oreto, Ý (Giorgio
Mannina, 2010). Mô hình tích hợp các quá trình lý hóa và sinh học phù hợp để
mô hình hóa chất lượng nguồn nước.
Ưu điểm của mô hình là có thể áp dụng được để đánh giá chất
lượng nước đối với những con sông nhỏ, thiếu dữ liệu. Nhược điểm là do
thuật toán của mô hình đơn giản nên không thể mô phỏng trong trường hợp
có quá nhiều dữ liệu đầu vào, hơn nữa số lượng mẫu cũng như các chỉ tiêu
chất lượng nước mà mô hình có thể đánh giá là rất hạn chế.

b. Mô hình Duflow
Được phát triển bởi Viện thủy lực (IHE) của Hà Lan, Đại học công nghệ
Delft, STOWA và trường Đại học Nông nghiệp Wageningen. Duflow được
thiết kế để sử dụng cho nhiều mục tiêu (triều, lũ, sử dụng nước...) và các bài
toán lan truyền chất trong kênh sông có các công trình.
Trên thế giới, mô hình đã được ứng dụng để thực hiện Dự án đánh giá
chất lượng nước sông Chicago và hồ Michigan tại Mỹ, đánh giá ảnh hưởng


của những kịch bản chất lượng nước trong tương lai, từ đó sẽ chỉ ra
những


biện pháp giảm thiểu cần được thực hiện để mang lại những thay đổi tích cực
cho môi trường (USACE, 2014) [31].
Ưu điểm của mô hình là có giao diện đồ họa dễ sử dụng. Tuy nhiên, đây
là phần mềm thiết kế chủ yếu cho giảng dạy và đào tạo, vì thế khi sử dụng
cho các bài toán lớn trong thực tế thì cần phải cải biên nhiều.
c. Mô hình Qual2E
Là sản phẩm của Cục bảo vệ môi trường Mỹ (EPA). Qual2E là mô hình
thuỷ động lực sử dụng hệ phương trình Saint-Venant và lan truyền chất hai
chiều: theo chiều dòng chảy và chiều sâu.
Mô hình được áp dụng cho sông ngòi, hồ, hồ chứa và vùng cửa sông. Nó
có thể mô phỏng tới 15 thành phần bất kỳ trong một tổ hợp nào đó do người
sử dụng đề ra.
Nhược điểm của mô hình Qual2E là chỉ áp dụng cho mạng sông đơn giản
hình cây (không áp dụng cho mạng sông dạng mạch vòng), thiết diện sông
phải đều dạng hình thang/hình chữ nhật và không chịu ảnh hưởng của thủy
triều.
d. Mô hình CORMIX

Là mô hình hệ thống chuyên nghiên cứu vùng pha trộn nước thải
dùng để phân tích, dự báo và thiết kế các miệng xả nước thải vào nguồn nước
tự nhiên. Mô hình này được các chuyên gia thuộc trường Đại học Cornell
(Mỹ) xây dựng trong thời gian từ 1985 đến 1995. Mô hình cho phép mô tả
quá trình pha trộn nước thải ở gần miệng xả cũng như xa miệng xả.
Nhược điểm của mô hình CORMIX là chỉ cho phép mô phỏng chất
lượng nước đối với nguồn thải điểm (là nguồn thải xác định được vị trí xả
thải), không mô phỏng được nguồn thải dạng diện.
e. Mô hình MASTER


Do Viện Thuỷ lực Delft Hà Lan lập ra từ năm 1988 theo đơn đặt hàng
của Ban thư kí Mekong để mô phỏng chuyển động của nước trên hạ lưu
Mekong từ Chiang Sean ra đến biển và sự lan truyền mặn từ các cửa sông và


biển trong nội đồng. Đây là mô hình được xây dựng trên hệ phương
trình Saint-Venant đầy đủ và những phương trình truyền mặn. Đây là một
mô hình tốt về học thuật đối với bài toán dòng không ổn định trong hệ thống
kênh hở.
1.3. Các nghiên cứu ứng dụng mô hình chất lượng nước trong nước có
liên quan
a. Mô hình VRSAP
Là mô hình thủy lực khởi đầu cho quá trình áp dụng mô hình toán để giải
quyết các bài toán thủy lực kênh hở ở Việt Nam trên các mạng máy lớn (main
frame) trước kia. Trong quá trình áp dụng, VRSAP được cải tiến, phát triển
liên tục và được thêm phần tính mặn vào năm 1988 dựa trên thuật toán
sai phân trung tâm tương tự thuật toán của MEKSAL.
Phần mềm VRSAP đã được sử dụng rộng rãi tính lũ kiệt, đặc biệt là
trong tính toán qui hoạch lũ cho Đồng bằng sông Cửu Long phía Việt Nam và

toàn bộ hạ lưu Mê Kông, cũng như trong tính toán qui hoạch các dự án tài
nguyên nước cho kết quả đáng tin cậy. VRSAP cũng có phần tính mặn. Tuy
nhiên, cách tính mặn dựa trên sơ đồ sai phân trung tâm nên khó hiệu chỉnh
do hiện tượng khuếch tán số.
Nhược điểm của sơ đồ VRSAP là khó chạy được khi dùng một sơ đồ
chạy song song cho cả lũ và kiệt.
b. Mô hình SAL và VRSAP-SAL
Chương trình SAL gồm một chương trình chính để kết nối một số
chương trình con vào quá trình tính toán khi cần thiết. Có 7 chương trình con
gồm: Subroutine Corres, Subroutine Input, Subroutine Comhq, Subroutine
Coms, Subroutine Comdo, Subroutine Result, Subroutine Fini. Trong

đó

chương trình Coms được dùng để tính độ mặn (hoặc BOD hay yếu tố thứ
nhất của chất lượng nước như NH3,…), chương trình Comdo dùng để tính các
yếu tố thứ 2 trở đi của chất lượng nước (như DO, NO2,…).


VRSAP-SAL là sơ đồ cải tiến nhằm phối hợp một số ưu điểm của
VRSAP với SAL. Về mặt thuật toán, cấu trúc số liệu và phần tính truyền chất
giữ nguyên như SAL.
c. Mô hình HYDROGIS
Mô hình HYDROGIS của TS. Nguyễn Hữu Nhân là phần mềm có phần
giao diện khá tiện dụng so với các phần mềm khác và đã sử dụng một số công
cụ GIS trong biểu diễn kết quả.
Vì là mô hình thương mại nên có các tiện ích và tổ chức dữ liệu rất tốt,
phần biểu diễn kết quả đẹp mắt. Do vậy nên giá thành khá đắt cho mỗi
license. Nhược điểm nữa là phần tính lan truyền chất khá lâu. Phần mềm của
Việt Nam còn hạn chế về cách tổ chức dữ liệu và đặc biệt là cách kết nối

với công cụ GIS. Phần tính lan truyền chất trong các một số các mô hình của
Việt Nam có nhiều ưu điểm về mặt thuật toán và đặc biệt là có thể chủ
động cải biên khi cần cập nhật.
1.4. Kết quả nghiên cứu, ứng dụng mô hình MIKE 11 để đánh giá chất
lượng nước trên thế giới và ở Việt Nam
1.4.1. Trên thế giới
- Tại Anh, mô hình Mike 11 được áp dụng cho dự án “Đánh giá phương
án quản lý tài nguyên nước sông Stour, vùng Kent” (John, A.Cox, Upton, &
Simons). Thời gian lựa chọn để chạy mô hình từ 01/02/2007 – 30/06/2007
nhằm phục vụ đánh giá các phương án quản lý tài nguyên nước.
Kết quả mô phỏng của mô hình cho kết quả tính toán khá phù hợp với
dữ liệu thực đo. Sau khi mô phỏng mô hình, tiến hành chạy 09 kịch bản
khác nhau với những giả thiết khác nhau về lưu lượng dòng chảy trên sông
mà không có sự giả định về sự biến đổi chất lượng nước. Kết quả mô phỏng
các kịch bản là căn cứ để cơ quan chính quyền có các phương án quản lý
nguồn nước sông Stour [32].


- Tại Bỉ, mô hình Mike 11 được áp dụng cho nghiên cứu “Mô hình hóa
oxy hòa tan và nhu cầu oxy sinh hóa trong nước sông” của nhóm tác giả M.


Radwan năm 2003 [29]. Nhóm tác giả đã ứng dụng mô hình Mike 11 để mô
phỏng hai chỉ tiêu chất lượng nước là DO và BOD ở sông Dender vùng
Flanders, bị ô nhiễm do sản xuất nông nghiệp.
Nghiên cứu này thực hiện nhằm phục vụ công tác quy hoạch và quản lý
tài nguyên nước, bao gồm các nội dung: (1) mô tả hiện trạng dòng chảy và
chất lượng nước, (2) dự báo các kịch bản biến đổi chất lượng nước.
Dữ liệu sử dụng cho mô hình bao gồm dữ liệu về khí tượng (mưa, nhiệt
độ), thủy văn (mực nước, lưu lượng) theo giờ, chuỗi thời gian mô phỏng là 8

năm từ 1990 – 1997.
Nghiên cứu kết luận, việc ứng dụng mô hình Mike 11 trong mô phỏng
hai chỉ tiêu DO và BOD đã cho kết quả tốt, được xem là một công cụ hữu ích,
hỗ trợ trong công tác quản lý và quy hoạch tài nguyên nước.
- Tại Iraq, mô hình Mike 11 được áp dụng cho nghiên cứu “Ứng dụng
mô hình Mike 11 đánh giá chất lượng nước sông Euphrates tại Iraq” của nhóm
tác giả Kamel năm 2008. Việc quy hoạch và quản lý tài nguyên nước đòi hỏi
phải có một công cụ kỹ thuật phù hợp giúp những người ra quyết định có thể
đưa ra chiến lược hành động và nhóm thực hiện đã lựa chọn mô hình Mike
11. Thời gian thực hiện từ 01/05/2000 – 31/05/2000 [28].
Dữ liệu sử dụng cho mô hình bao gồm 14 mặt cắt ngang sông với khoảng
cách giữa mỗi mặt cắt tầm 1,6km, dữ liệu biên là lưu lượng và mực nước tại
các biên của mô hình, dữ liệu về chất lượng nước và chế độ xả nước thải
trên
sông.
Kết quả mô phỏng cho thấy sai số giữa số liệu tính toán và thực đo nằm
trong giới hạn cho phép, mô hình có khả năng mô phỏng tốt thủy động lực
học cũng như chất lượng nước sông, là một công cụ hỗ trợ tích cực trong việc
ra quyết định phòng ngừa và dự báo lũ, thiết kế và vận hành các công trình
thủy lợi, phân tích đánh giá và dự báo tình trạng ô nhiễm nước sông.


- Tại Thái Lan, mô hình Mike 11 được áp dụng cho nghiên cứu “Ứng
dụng mô hình MIKE 11 để đánh giá chất lượng nước của sông Klong U-