Nghiên cứu phát triển mô hình toán mô phỏng quá trình phú dưỡng ở các vùng nước tĩnh nông, ứng dụng cho hồ cự chính hà nội tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

TẠ ĐĂNG THUẦN

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ
TRÌNH PHÚ DƯỠNG Ở CÁC VÙNG NƯỚC TĨNH NÔNG, ỨNG DỤNG
CHO HỒ CỰ CHÍNH-HÀ NỘI

Chuyên ngành: Môi trường Đất và Nước
Mã số chuyên ngành: 9.44.03.03

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2019


Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi

Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS Bùi Quốc Lập

Phản biện 1: PGS.TS Trần Liên Hà- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Phản biện 2: PGS.TS Dương Thị Thủy- Viện Công nghệ môi trường
Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương- Trường Đại học Thủy Lợi

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................

vào lúc
giờ
ngày
tháng
năm

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thư viện Quốc gia
- Thư viện Trường Đại học Thủy lợi


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ở các vùng nước tĩnh (các ao hồ nông nghiệp, hồ tự nhiên) do ít có sự trao đổi
nước với các nguồn nước bên ngoài và ảnh hưởng bởi gió bề mặt, cùng với quá
trình đó các chất dinh dưỡng, chất ô nhiễm từ khu vực xung quanh bị rửa trôi
do dòng chảy tràn trong lưu vực ngày càng được tích lũy trong các vùng nước
làm suy giảm chất lượng nước. Một trong những vấn đề chất lượng nước hay
xảy ra ở các vùng nước tĩnh là hiện tượng phú dưỡng gây ra nhiều tác hại như
sự phát triển quá mức của rong, tảo và thực vật thủy sinh, làm phát sinh vi
khuẩn lam (VKL), tảo độc có hại cho con người và sinh vật. Khi rong tảo, thực
vật thủy sinh chết đi sẽ bị phân hủy làm giảm nồng độ oxy hòa tan (DO) sinh ra
nitrite (NO2-N) nitrate (NO3-N),… gây độc cho nước, đe dọa trực tiếp đến sự
sống của các loài động vật nước như tôm, cá,…. Ở các vùng nước tĩnh thì hồ
nông với độ sâu trung bình nhỏ hơn 5 mét là nơi thường xuyên xảy ra hiện
tượng phú dưỡng [1].
Một trong những hướng nghiên cứu phổ biến và phát triển mạnh hiện nay là
việc nghiên cứu xây dựng, phát triển mô hình toán mô phỏng quá trình phú
dưỡng hồ dựa trên mối tương quan của các yếu tố môi trường như nhiệt độ
nước, cường độ ánh sáng mặt trời, mưa…đến sự sinh trưởng, phát triển của

thực vật nổi và sự trao đổi các chất dinh dưỡng. Mô hình toán với nhiều ưu
điểm như cho kết quả tính toán nhanh, giá thành rẻ, dễ dàng thay đổi để phù
hợp với các yêu cầu bài toán. Thêm vào đó chúng đưa ra các kết quả dự báo để
từ đó đề xuất các biện pháp quản lý phù hợp cải thiện chất lượng nước nhằm
đáp ứng chất lượng mục tiêu sử dụng cũng như bảo tồn bền vững chất lượng
nước [2]. Ngoài ra, chúng khắc phục khó khăn trong việc tiến hành các thí
nghiệm trực tiếp với môi trường tự nhiên do chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố
cùng tác động, gây nhiễu kết quả khảo sát và trong nhiều trường hợp việc tiến
hành thí nghiệm với môi trường tự nhiên là không thể [3].
1


Quá trình nghiên cứu phát triển các mô hình phú dưỡng hồ bắt đầu từ thập niên
1970, đã được ứng dụng nhiều vào thực tế và thu được những kết quả đáng ghi
nhận. Tuy vậy, các mô hình phú dưỡng hồ trên thế giới được xây dựng, phát
triển chủ yếu ở các hồ tự nhiên có diện tích và độ sâu lớn ở những vùng khí hậu
ôn đới mà chưa thực sự quan tâm nhiều đến các hồ nhỏ, nông ở vùng khí hậu
nhiệt đới và cận nhiệt đới. Bên cạnh đó, quá trình phú dưỡng trong hồ diễn ra
rất phức tạp, gắn liền với điều kiện cụ thể của từng vùng như điều kiện khí hậu,
thủy văn, đặc điểm địa chất và thổ nhưỡng cũng như các hoạt động phát triển
kinh tế-xã hội trong khu vực. Do đó, trong một số trường hợp cụ thể, việc áp
dụng các mô hình sẵn có tỏ ra không phù hợp. Hơn nữa, việc sử dụng một số
phần mềm thương mại trên thế giới thường chi phí rất đắt và đòi hỏi nhiều loại
số liệu phức tạp trong khi điều kiện kinh tế còn hạn hẹp chưa thể đáp ứng được.
Còn nếu áp dụng các mô hình đó trong điều kiện ở Việt Nam lại thiếu hoặc
lược bớt những số liệu cần thiết thì dẫn đến kết quả mô phỏng cũng như dự báo
sẽ không đạt được kết quả mong muốn.
Hồ nội thành Hà Nội đóng vai trò rất quan trọng trong việc điều hòa nước mưa,
tạo cảnh quan, điều hòa khí hậu và còn là nơi cư trú của nhiều động, thực vật
nước. Đa số chúng có kích thước vừa, nhỏ và tương đối nông nên có tính chất

thủy động lực học chất lượng nước khác với các hồ rộng, sâu nằm ngoài nội
thành. Những năm gần đây, hiện tượng tảo “nở hoa” đã xảy ra ở nhiều hồ nội
đô ở Hà Nội gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng nước hồ và cảnh quan đô
thị. Thực tế này đòi hỏi phải có các nghiên cứu chuyên sâu về diễn biến quá
trình phú dưỡng ở hồ Hà Nội làm cơ sở cho việc đề xuất các giải pháp phù hợp
để hỗ trợ hoạt động quản lý và kiểm soát hiện tượng phú dưỡng.
Vì những lý do nêu trên, đề tài luận án “Nghiên cứu phát triển mô hình toán
mô phỏng quá trình phú dưỡng ở các vùng nước tĩnh nông, ứng dụng cho
hồ Cự Chính-Hà Nội” được tác giả lựa chọn thực hiện.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
- Phát triển công cụ mô hình toán mô phỏng quá trình phú dưỡng ở các vùng
2


nước tĩnh nông.
- Ứng dụng mô hình phú dưỡng phát triển vào một hồ tự nhiên nông đang bị ảnh
hưởng bởi phú dưỡng ở nội thành Hà Nội.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là quá trình phú dưỡng và các thông số sinh khối thực vật
nổi, động vật phù du và chất lượng nước (chất dinh dưỡng của nitơ phốt pho,
carbon và nồng độ oxy hòa tan) ở vùng nước tĩnh nông.
3.2 Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu luận án: Hồ Cự Chính, một hồ tự nhiên nông đang bị ảnh
hưởng bởi phú dưỡng ở nội đô Hà Nội.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
4.1 Cách tiếp cận
- Tiếp cận thực tế và kế thừa
Phạm vi nghiên cứu mà luận án tập trung vào là các hồ nông đang bị ảnh hưởng
bởi phú dưỡng trong nội đô Hà Nội. Vì vậy việc khảo sát thực tế, thu thập

thông tin để lựa chọn được đối tượng hồ phù hợp nghiên cứu rất quan trọng.
Ngoài ra nghiên cứu sử dụng có chọn lọc các kết quả nghiên cứu của đề tài, dự
án trước đây về phú dưỡng hồ có liên quan đến nội dung nghiên cứu của luận án.
- Tiếp cận tổng hợp đa ngành
Để thực hiện luận án cần sử dụng kiến thức tổng hợp của nhiều ngành khoa học
như hóa học, sinh học, toán học để làm rõ mối liên hệ giữa biến trạng thái và
các yếu tố ảnh hưởng từ môi trường trong hồ tĩnh nông đang bị phú dưỡng. Từ
đó sử dụng công cụ tin học lập trình phát triển một mô hình toán mô phỏng phú
dưỡng phù hợp cho điều kiện hồ nông trong nội thành Hà Nội.
3


4.2 Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp được thực hiện trong luận án gồm có:
- Phương pháp phân tích, đánh giá, tổng hợp: Tổng quan nghiên cứu về phú
dưỡng, tình hình nghiên cứu phát triển mô hình mô phỏng quá trình phú dưỡng
hồ trên thế giới và Việt Nam, khả năng ứng dụng và những hạn chế cần khắc
phục. Phân tích, đánh giá các kết quả thu được trên cơ sở kết quả điều tra khảo
sát khu vực nghiên cứu và kết quả đo đạc ở hiện trường, phân tích mẫu nước,
mẫu thực vật nổi trong phòng thí nghiệm;
- Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa: Tổ chức điều tra khảo sát thực tế các
hồ trong nội thành Hà Nội để lựa chọn được hồ nghiên cứu phù hợp. Từ đó khảo
sát cụ thể điều kiện tự nhiên, điều kiện xã hội ở khu vực nghiên cứu. Từ đó xác
định được các thông số của hồ và vị trí, thời gian lấy mẫu phù hợp.
- Phương pháp mô hình toán: Sử dụng phương pháp giải số và công cụ lập trình
để giải phương trình toán học sang mô hình toán.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
5.1 Ý nghĩa khoa học
Phát triển được một mô hình toán mô phỏng quá trình phú dưỡng trong các
vùng nước tĩnh nông trên cơ sở bổ sung thành phần dinh dưỡng từ khí quyển và

lượng nước mưa chảy tràn vào hồ ở trong phương trình động học chất dinh
dưỡng.
5.2 Ý nghĩa thực tiễn
Áp dụng mô hình phát triển thành công vào hồ Cự Chính nằm trong nội đô Hà
Nội. Kết quả nghiên cứu của luận án là tài liệu khoa học phục vụ cho công tác
đào tạo và nghiên cứu trong các lĩnh vực liên quan.
6. Những đóng góp mới của luận án
- Phát triển được mô hình toán mô phỏng quá trình trong các vùng nước tĩnh
4


nông bằng việc bổ sung nồng độ chất dinh dưỡng từ khí quyển và nước mưa
chảy tràn.
- Ứng dụng mô hình đã phát triển cho hồ Cự Chính ở nội đô Hà Nội với giá trị
bộ tham số hiệu chỉnh tương ứng.
7. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, luận án bao gồm 03 chương:
Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu
Chương 2. Phát triển mô hình toán mô phỏng quá trình phú dưỡng trong hồ
tĩnh nông
Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về phú dưỡng
Hiện tượng phú dưỡng (hay phú dưỡng) là một dạng gây suy giảm chất lượng
nước thường xảy ra ở các hồ, hồ chứa do nồng độ các chất dinh dưỡng trong hồ
tăng quá cao, chủ yếu là phốt pho [4], gây bùng phát thực vật thủy sinh dẫn đến
làm tăng hàm lượng các chất lơ lửng, chất hữu cơ, làm suy giảm lượng oxy hòa

tan trong nước nhất là ở tầng đáy gây ảnh hưởng không tốt đến chất lượng và
hệ sinh thái nước [5]. Khi mới hình thành, các hồ đều ở tình trạng nghèo dinh
dưỡng, nước thường khá trong. Chất dinh dưỡng đến hồ được bổ sung từ nước
mưa, dòng chảy mang phù sa giàu chất dinh dưỡng, khoáng chất, trầm tích, sự
phân hủy xác động thực vật thủy sinh và chất thải của chúng. Do các chất rắn,
trầm tích lắng xuống đáy hồ, sự phát triển mạnh của các loài thực vật có rễ ở
ven bờ làm cho hồ nước ngày trở nên nông hơn và diện tích mặt thoáng ngày
càng bị thu hẹp nên hồ tự nhiên sẽ dần biến thành các đầm lầy sau đó trở thành
các đồng cỏ [6]. Theo nhiều nghiên cứu, có nhiều nguyên nhân dẫn đến phú
dưỡng nhưng chủ yếu do nồng độ các chất dinh dưỡng trong vùng nước cao, đặc
5


biệt là các muối đa lượng của nitơ và phốt pho [9], nhiệt độ nước ấm, cường độ
bức xạ mặt trời ở mức cao, giá trị pH cao và nồng độ CO2 thấp [10], [11].
Có nhiều nghiên cứu phát triển các phương pháp đánh giá phú dưỡng và điển
hình trong số đó là phương pháp của Hakanson et al. (2007) khi tập trung sử
dụng giá trị nồng độ của các thông số TN, TP và Chlorophyll-a (Chl.a) để phân
chia thành các mức độ dinh dưỡng. Thêm vào đó phương pháp Carlson công
thức tính chỉ số trạng thái dinh dưỡng Carlson với mối liên hệ với giá trị nồng
độ TP và Chl.a bởi TP là chất dinh dưỡng hạn chế chủ yếu cho sự phát triển của
thực vật nổi và Chl.a là giá trị đặc trưng cho nồng độ sinh khối thực vật nổi.
1.2 Tình hình nghiên cứu, phát triển mô hình phú dưỡng hồ
Các mô hình phú dưỡng hồ từ đơn giản đến phức tạp, từ mô tả một vài biến số
đến nhiều biến số và các tham số ảnh hưởng đi cùng. Hồ có thể được giả thiết là
đối tượng đồng nhất, pha trộn đều hoặc được phân chia thành các phần khác
nhau theo phương ngang cũng như phương thẳng đứng theo cột nước và trầm
tích. Ban đầu chất dinh dưỡng cơ bản được mô phỏng chủ yếu là phốt pho, sau đó
được phát triển bổ sung thêm nitơ, carbon và silic. Chất dinh dưỡng được phân
chia thành các thành phần khác nhau nhưng tập trung chủ yếu phân chia thành

dạng hấp thu trực tiếp bởi thực vật phù du và hoặc phải thông qua quá trình biến
đổi như quá trình khoáng hóa và thủy phân mới hấp thu được. Mô hình phú
dưỡng thường là mô hình sinh thái một chiều hoặc hai chiều kết hợp với quá trình
động lực học, tương tác hóa học và sinh học. Các đối tượng thực vật phù du tập
trung mô phỏng chủ yếu là tảo. Có thể coi thực vật nổi thành một nhóm hoặc
phân chúng thành các nhóm điển hình như VKL, tảo lục và tảo silic vv..
Việc nghiên cứu xây dựng các mô hình phụ thuộc vào mục tiêu, đối tượng hồ
và điều kiện khí hậu khác nhau vv.. Các mô hình phú dưỡng hồ trên thế giới
được xây dựng trên các nghiên cứu chủ yếu ở hồ tự nhiên có diện tích lớn và
sâu ở những nơi có khí hậu ôn đới mà chưa thực sự quan tâm đến các hồ nhỏ,
nông và ở vùng khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới. Đây cũng là hướng nghiên
cứu mà luận án tập trung nghiên cứu.
6


Công tác quản lý môi trường nước nói chung và môi trường nước hồ nói riêng ở
Việt Nam hiện nay rất cần phát triển mô hình phú dưỡng phù hợp cho các đối
tượng hồ khác nhau ở các vùng khác nhau ở Việt Nam. Tuy nhiên, chúng ta vẫn
còn một số vấn đề cần được quan tâm giải quyết trong việc phát triển mô hình
phú dưỡng hồ, cụ thể là: Ở nước ta, phần lớn các mô hình nghiên cứu phú
dưỡng hồ đều phụ thuộc vào các phần mềm hoặc mô hình sẵn có của nước
ngoài. Việc sử dụng phần mềm có sẵn như vậy làm hạn chế việc lựa chọn mô
hình phú dưỡng để phù hợp với điều kiện của Việt Nam. Các mô hình chủ yếu
là các mô hình hộp đen, do đó người dùng rất khó có thể hiểu hết được các
phương trình toán được sử dụng và bị ràng buộc về phương pháp số khi giải mô
hình mô phỏng. Thêm vào đó việc thiếu các mô hình toán mô phỏng quá trình
phú dưỡng hồ xuất phát từ bản chất của các quá trình vật lý, hóa học, sinh học và
thủy lực liên quan đến phú dưỡng, dẫn đến thiếu nền tảng để tự xây dựng, phát
triển các mô hình phú dưỡng ở Việt Nam. Ngoài ra, trong hệ sinh thái hồ có rất
nhiều các quá trình phức tạp khác nhau dẫn đến có nhiều nguyên nhân gây khó

khăn trong việc xây dựng, phát triển mô hình sinh thái, bao gồm:
- Hồ là đối tượng có môi trường sống không đồng nhất được liên kết với nhau
(ví dụ tầng trên, tầng dưới và tầng đáy hồ có sự khác biệt lớn).
- Ở mỗi trạng thái dinh dưỡng khác nhau, hệ sinh thái hồ có số lượng các loài
khác nhau mà khó có thể mô tả tổng thể hoặc riêng biệt.
- Sự tương tác giữa trầm tích và cột nước rất quan trọng với hệ sinh thái hồ, đặc
biệt là sự khuếch tán chất dinh dưỡng từ trầm tích.
Để khắc phục những những hạn chế, khó khăn trên luận án sẽ tập trung phát
triển mô hình sinh thái hồ với các định hướng nghiên cứu chính sau:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết mô hình hóa quá trình phú dưỡng ở hồ tĩnh nông
từ đó phát triển phương trình toán mô tả mối liên hệ chất dinh dưỡng đến sự
quá trình sinh trưởng phát triển của các nhóm thực vật nổi.

7


- Nghiên cứu đề xuất thuật toán giải phù hợp, ổn định với hệ phương trình mô
phỏng quá trình phú dưỡng hồ.
- Trên cơ sở hệ phương trình mô phỏng, thuật toán giải, tiến hành lập trình phát
triển mô hình mô phỏng quá trình phú dưỡng ở các hồ tĩnh nông;
- Ứng dụng mô hình được phát triển để hiệu chỉnh, kiểm định và mô phỏng quá
trình phú dưỡng với các bộ số liệu thực đo tại một hồ ở Hà Nội.
1.3 Tổng quan phạm vi nghiên cứu
Trên cơ sở quá trình khảo sát thực địa các hồ trong nội thành Hà Nội, nghiên
cứu đã lựa chọn hồ Cự Chính có những đặc điểm phù hợp với mục tiêu nghiên
cứu cũng như những giả thiết của bài toán phát triển mô hình phú dưỡng. Hồ
Cự Chính là một hồ đô thị nông nằm trong khu vực nội đô có vị trí địa lý ở giá
trị 21000’ độ vĩ bắc, 105048’ độ kinh đông, ở phía Tây Nam trung tâm thành
phố Hà Nội (được biểu thị trong hình 1.3).
Theo kết quả điều tra khảo sát và đo đạc, hồ Cự Chính nằm giáp ranh giữa hai

phường Thượng Đình và Nhân Chính (quận Thanh Xuân). Khu vực hứng nước
mưa có mật độ dân cư cao và nhiều khu thương mại và đa số bề mặt đệm được
bê tông hóa không thấm nước mưa. Khu vực bao gồm diện tích là nhà ở của
dân cư, đất dành cho các khu thương mại, các trụ sở, cơ quan, trường học và
bệnh viện, đất mặt đường giao thông trong đó có đường Quan Nhân với mật độ
giao thông cao. Gần như không có nguồn thải đổ trực tiếp vào hồ do nước thải
sinh hoạt của khu vực dân cư và nước mưa chảy tràn phần lớn được thu gom
vào hệ thống đường ống nước thải của thành phố, nguồn bổ sung từ nước ngầm
cũng rất hạn chế do xung quanh hồ có kè bằng gạch và bờ rào bằng thép chắc
chắn. Chỉ có lượng nước mưa rơi trên bề mặt hồ và một lượng nước chảy tràn
trong khuôn viên của hồ.

8


Cu Chinh lake

Aquarium

Hình 1.1 Bản đồ khu vực nghiên cứu
Hồ có chu vi khoảng 250 m, diện tích mặt nước xấp xỉ khoảng 4000 m2. Chiều
dài lớn nhất khoảng 75m, chiều rộng lớn nhất khoảng 65m, độ sâu trung bình
của hồ trong khoảng 1,5-1,7 m và dung tích nước trung bình khoảng 4600 m3.
Hồ Cự Chính có mục đích chính là điều hòa vi khí hậu, nước mưa và là nơi vui
chơi giải trí của người dân trong khu vực. Khuôn viên của hồ có diện tích
khoảng 1500 m2 được sử dụng làm bãi đỗ xe và khu tập thể dục thể thao của
người dân có bề mặt bằng bê tông. Vì là một hồ nhỏ nên khả năng pha trộn đều
các chất dinh dưỡng trong hồ tốt hơn so với các hồ có diện tích lớn.
1.4 Kết luận chương 1
Phú dưỡng là một trong những vấn đề chất lượng nước điển hình hiện nay trên

thế giới đặc biệt trong các vùng nước nông. Tác hại chính của chúng là có thể
phá vỡ sự cân bằng nội tại dẫn đến gây tổn thương và thoái hóa dần các chức
năng của hệ sinh thái nước.
Có nhiều hướng nghiên cứu về phú dưỡng và một trong số đó là xây dựng, phát
triển các mô hình mô phỏng quá trình phú dưỡng đặc biệt ở trong hồ. Ban đầu
các mô hình được xây dựng và phát triển chủ yếu là mô hình thực nghiệm khi
chất dinh dưỡng sử dụng trong mô hình là phốt pho và quá trình mô phỏng tập
trung vào tính toán tải lượng cũng như dự báo nồng độ chất dinh dưỡng và mức
9


độ phú dưỡng trong hồ.
Tuy vậy, các mô hình này chỉ áp dụng trong trường hợp thiếu dữ liệu và có độ
tin cậy không cao. Mô hình cân bằng vật chất tập trung mô tả đầu vào, đầu ra
để dự đoán xu thế dài hạn, chủ yếu là tổng phốt pho. Để khắc phục điều đó thì
ngoài việc phát triển các mô hình động học chất dinh dưỡng của phốt pho thì
cần phải bổ sung thêm các chất dinh dưỡng khác như nitơ và carbon. Hiện nay,
hướng nghiên cứu phổ biến mà các mô hình phú dưỡng hướng tới là mô hình
sinh thái trong đó tập trung mô tả mối quan hệ giữa nồng độ chất dinh dưỡng
với sinh khối thực vật phù du và ĐVPD.
Thực tế hiện nay ở Việt Nam nói chung và Hà Nội nói riêng, hồ tự nhiên nông
đã và đang chịu ảnh hưởng nặng nề do ô nhiễm nước đặc biệt là quá trình phú
dưỡng gây ra. Một số hồ nông ở nội thành Hà Nội tuy đã kiểm soát thành công
các nguồn nước thải tập trung đổ vào hồ nhưng chất dinh dưỡng từ các nguồn
thải phân tán như chảy tràn trên bề mặt lưu vực cũng như nguồn bổ sung từ khí
quyển cũng góp phần vào gây ô nhiễm hữu cơ trong hồ. Trong một số nghiên
cứu gần đây cho thấy một số hồ mặc dù đã kiểm soát được nguồn thải tập trung
nhưng vẫn tiếp tục ô nhiễm chất hữu cơ gây ra phú dưỡng khi duy trì ở mức độ
phú dưỡng thậm chí siêu phú dưỡng. Trong số đó hồ Cự Chính có những đặc
điểm phù hợp với mục tiêu nghiên cứu cũng như những giả thiết của bài toán

phát triển mô hình khi là một hồ nông ở nội đô Hà Nội, ít có nguồn nước thải
tập trung gia nhập và đang bị ảnh hưởng bởi hiện tượng phú dưỡng.
CHƯƠNG 2

PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ

TRÌNH PHÚ DƯỠNG TRONG HỒ TĨNH NÔNG
2.1 Các bước phát triển mô hình toán mô phỏng phú dưỡng hồ
Các bước phát triển mô hình toán mô phỏng quá trình phú dưỡng trong vùng
nước tĩnh nông được trình bày trong hình 2.1 dưới đây:

10


Xác định mục tiêu bài toán
Các phương trình toán học
Giải PT bằng phương pháp số
Thu thập dữ liệu
Phân tích độ nhạy
Hiệu chỉnh mô hình

Kiểm định mô hình
Mô phỏng

Hình 2.1 Các bước phát triển mô hình toán mô phỏng quá trình phú dưỡng
2.2 Cơ sở lý thuyết phát triển mô hình phú dưỡng
Trong phần này sẽ trình bày chi tiết cơ sở lý thuyết sử dụng trong luận án để
phát triển mô hình mô phỏng phú dưỡng trong hồ tĩnh nông trong đó bao gồm
các yếu tố ảnh hưởng, giả thiết, các phương trình toán, các biến trạng thái, biến
ngoại sinh, hằng số và các tham số ảnh hưởng cũng như quá trình phát triển,

đánh giá và ứng dụng mô hình. Các yếu tố ảnh hưởng chủ yếu đến phú dưỡng
nước bao gồm: (1) Nồng độ TN, TP ở mức cao, (2) vận tốc dòng chảy chậm,
(3) nhiệt độ cao và các yếu tố môi trường khác thuận lợi và (4) hoạt động của vi
sinh vật và sự đa dạng sinh học. Phú dưỡng có thể xảy ra nhanh hơn khi tất cả
các điều kiện môi trường đều thuận lợi.
Để giảm thiểu độ phức tạp nhưng vẫn đảm bảo việc mô phỏng quá trình phú
dưỡng trong hồ một cách hợp lý trong luận án một số giả thiết được đưa ra như
sau: Hồ tĩnh nông, không có dòng chảy vào, ra và không bị tác động bởi gió bề
mặt; Đối tượng mô phỏng là cột nước trong hồ ở chế độ pha trộn hoàn toàn (có
xem xét đến sự trao đổi của chất hữu cơ giữa cột nước và bề mặt trầm tích);
Lựa chọn các nhóm thực vật nổi chiếm ưu thế trong hồ là đối tượng thực vật
phù du để mô phỏng; Động vật phù du trong hồ được mô tả đơn giản dưới dạng
một nhóm đơn; Các chất dinh dưỡng được lựa chọn mô phỏng là nitơ, phốt pho
11


và carbon hữu cơ; Không có nguồn nước đổ thải trực tiếp vào hồ. Nguồn bổ
sung chất dinh dưỡng tự nhiên vào hồ là lắng đọng từ khí quyển và nước mưa
chảy tràn trong lưu vực. Trong đó giả thiết hệ số khuếch tán chất dinh dưỡng từ
khí quyển vào cột nước và nồng độ các chất dinh dưỡng trong nước mưa chảy
tràn là không đổi trong suốt thời gian mô phỏng.
Với giả thiết trên một mô hình phú dưỡng được phát triển dựa trên sự kết hợp
của các quá trình động học của nồng độ sinh khối các nhóm thực vật nổi chiếm
ưu thế, động vật phù du và các quá trình sinh hóa chất dinh dưỡng bao gồm các
biến trạng thái sau: Nồng độ sinh khối của 3 nhóm thực vật nổi (tảo lục, VKL,
tảo silic), động vật phù du, nồng độ nitơ vô cơ hòa tan DIN (NH4-N, NO3-N,
NO2-N ); phốt phát vô cơ hòa tan DIP (PO4-P), 2 biến hữu cơ (DOC, TOC), 2
biến tổng dinh dưỡng (TN, TP) và nồng độ ôxy hòa tan (DO). Sự thay đổi theo
mùa của nhiệt độ cột nước, cường độ bức xạ ánh sáng và lắng đọng từ khí
quyển ảnh hưởng lớn đến quá trình hóa sinh trong hồ được mô tả là các biến

ngoại sinh. Khái quát mô hình phú dưỡng hồ được trình bày trong hình 2.2, mô
tả sự tương tác giữa các biến trạng thái.

Hình 2.2 Sơ đồ mô hình mô phỏng phú dưỡng trong hồ tĩnh nông

12


Như đã đề cập ở trên ngoài các phương trình kế thừa từ các nghiên cứu trước
đây luận án đề xuất cải tiến các phương trình mô tả quá trình động học chất
dinh dưỡng khi bổ sung nguồn chất dinh dưỡng của carbon hữu cơ, phốt pho và
nitơ từ khí quyển bao gồm khuếch tán từ không khí, mưa và lượng nước mưa
chảy tràn cụ thể như sau:
WPOC
V

=

A × kaPOC + X × A × CRPOC +  × X × F × COPOC
A×Z+X×A+×X×F

(2-1)

WDOC
V

=

A × kaDOC + X × A × CRDOC +  × X × F × CODOC
V

(2-2)

WDIP
V
W

NH4

V
W

NO2

V
W

NO3

V

=

A × kaDIP + CrDIP × X × A+  × X × F × CODIP
V
k

aNH4

=

aNO2

k

=

rNH4

× X × A +  × X × F ×C

ONH4

V
k

=

×A+C

aNO3

× A+C

rNO2

×A+C

× X × A +  × X × F ×C

rNO3

(2-3)

ONO2

V
×X×A+×X×F×C

ONO3

V

(2-4)
(2-5)
(2-6)

Hệ PTVPT mô tả quá trình phú dưỡng trong hồ tĩnh nông bao gồm phương
trình 2-1 đến 2-13 với các giá trị thành phần trình bày chi tiết trong phụ lục 1 từ
phương trình PL1-1 đến PL1-31 và thành phần bổ sung nguồn dinh dưỡng vào
hồ được thể hiện trong các phương trình từ 2-26 đến 2-31. Tổng kết lại ta có mô
hình mô phỏng phú dưỡng hồ có 14 biến trạng thái bao gồm: 1.Nồng độ sinh
khối tảo lục, 2.Nồng độ sinh khối VKL, 3.Nồng độ sinh khối tảo silic; 4.Nồng
độ sinh khối ĐVPD, 5.TOC, 6.TP, 7.TN, 8.DO, 9.POC, 10.DOC, 11.PO4-P,
12.NH4-N, 13.NO2-N, 14.NO3-N và 95 tham số mô hình.
2.3 Phương pháp giải phương trình
Phương pháp Runge - Kutta kết hợp bậc 4 và bậc 5 là phương pháp số được lựa
chọn để giải hệ PTVPT đồng thời cho giá trị nồng độ của các biến trạng thái
theo thời gian. Sử dụng ngôn ngữ lập trình MATLAB được tích hợp sẵn có
môđun, cho các phép giải số của phương trình PTVPT.

13


Sử dụng RSME biểu thị độ lớn trung bình của sai số.
1
T

T

RMSEk = √ ∑t=1(Ot,k − Pt,k )2

(2-7)

Vì vậy trong luận án, thuật giải di truyền hiệu chỉnh tự động thông qua giá trị
hàm mục tiêu (fitness function) nhằm xác định giá trị các tham số của mô hình,
được mô tả thông qua công thức sau:
Fitness =

1
K



K
k =1

(2-8)

RMSE k

Điều kiện hàm mục tiêu đạt giá trị tối ưu khi:

Fitness = min(

1
K
RMSE k )

k =1
K

(2-9)

Trong đó Fitness là giá trị của hàm mục tiêu, k là thứ tự các biến trạng thái.
Ngoài sử dụng sai số RMSE, nghiên cứu sử dụng ba trị số sai số gồm: hệ số
Nash, NSE (the Nash–Sutcliffe Efficiency), tỷ lệ giữa sai số quân phương và độ
lệch chuẩn của số liệu thực đo RSR (RMSE-observations standard deviation
ratio) và chỉ số phần trăm sai số PBIAS (Percent BIAS) được sử dụng đánh giá
mức độ phù hợp giữa giá trị mô phỏng và giá trị thực đo.
Tiêu chí đánh giá chất lượng cho các chỉ số sai số được trình bày trong bảng
2.3. Mô hình có thể được đánh giá là “đạt” nếu NSE > 0,5, RSR ≤ 0,7 và
PBIAS < ±25% đối với giá trị của các biến trạng thái.
Bảng 2.1 Tiêu chí đánh giá chất lượng cho các chỉ số sai số [122]
Xếp loại
NSE
RSR
PBIAS (%)
Rất tốt
0,75 < NSE ≤ 1
0 ≤ RSR ≤ 0,5

PBIAS < ± 10
Tốt
0,65 < NSE ≤ 0,75 0,5 ≤ RSR ≤ 0,6 ±10 ≤ PBIAS < ±15
Đạt yêu cầu 0,5 < NSE ≤ 0,65 0,6 ≤ RSR ≤ 0,7 ±15 ≤ PBIAS < ±25
Không đạt
NSE ≤ 0,5
RSR > 0,7
PBIAS ≥ ±25
2.4 Lấy mẫu, đo đạc thực nghiệm
Thời gian lấy mẫu nước được thực hiện từ tháng 4/2017 đến tháng 3/2018 được
chia khoảng thời gian từ mùa mưa (từ tháng 5-10) và mùa khô (từ tháng 11-4).
14


Mỗi tháng lấy mẫu từ 1-2 lần. Tiến hành lấy mẫu đại diện được trộn đều từ 3
điểm trong hồ với độ sâu khoảng 20 cm dưới mực nước hồ (hình 1) và được lọc
bằng giấy lọc GF/F. Phần mẫu nước lọc được bảo quản riêng biệt trong chai
nhựa để phân tích các chất dinh dưỡng. Một lượng thể tích nước nhất định được
thu và cố định bởi dung dịch Lugol nhằm xác định mật độ tế bào thực vật nổi.
2.5 Ứng dụng mô hình phú dường phát triển ở hồ Cự Chính-Hà Nội
Để thiết lập quá trình mô phỏng, dữ liệu đầu vào và đầu ra của mô hình được
trình bày trong hình 2.6. Giá trị ban đầu của biến trạng thái, biến ngoại sinh,
nguồn bổ sung chất dinh dưỡng là cơ sở dữ liệu đầu vào cho mô hình.

Hình 2.3 Tổng quan dữ liệu đầu vào, đầu ra của mô hình phú dưỡng hồ
Giá trị biến ngoại sinh bao gồm giá trị nhiệt độ nước và cường độ bức xạ mặt
trời trung bình ngày được tính toán dựa trên các dữ liệu nhiệt độ không khí và
số giờ nắng ngày. Lượng mưa ngày thực đo tại trạm khí tượng Láng kèm theo
chất lượng nước mưa trung bình tuần. Giá trị độ sâu trung bình của hồ Z=1,6 m
và diện tích mặt nước hồ là 4000 m2.

Thời gian lựa chọn hiệu chỉnh mô hình là từ ngày 4.5.2017 đến ngày 30.9.2017
với chuỗi gồm 9 số liệu được thu thập cho từng biến trạng thái. Thời gian lựa
15


chọn kiểm định mô hình từ ngày 19.10.2017 đến ngày 8.3.2018 với 6 số liệu
thực đo cho mỗi biến trạng thái.
Thông qua kết quả đánh giá sai số kết quả mô phỏng các thông số trong quá
trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình, đối với những thông số đạt yêu cầu với
tiêu chuẩn đánh giá được lựa chọn để mô hình phú dưỡng phát triển sử dụng giá
trị bộ tham số đã hiệu chỉnh để mô phỏng một số kịch bản kỹ thuật có thể xảy
ra trong thực tế bào gồm sục khí, nạo vét trầm tích và diệt tảo.
2.6 Kết luận chương 2
Nội dung chương 2 đã trình bày chi tiết cơ sở lý thuyết của các phương trình
toán mà mô hình lựa chọn để áp dụng trong đó bao gồm các phương trình động
học của thực vật nổi, ĐVPD, chất dinh dưỡng và nồng độ oxy hòa tan. Trong
các phương trình của động học các chất dinh dưỡng luận án đề xuất cải tiến khi
bổ sung thêm thành phần chất dinh dưỡng lắng đọng từ khí quyển và nước mưa
chảy tràn. Thêm vào đó, trong chương 2 cũng giới thiệu các phương pháp
nghiên cứu và các trang thiết bị để phục vụ nghiên cứu. Trong đó phần mềm
Matlab được tích hợp phương pháp giải số Runge-Kutta bậc 4 và bậc 5 để giải
hệ phương trình toán của mô hình đồng thời là môi trường thuận tiện cho việc
lập trình phát triển mô hình.
Thời gian quan trắc, đo đạc thực tế tại hồ Cự Chính được chia thành hai giai
đoạn: thời gian hiệu chỉnh (từ ngày 4.5.2017 đến 30.9.2017) và kiểm định mô
hình (từ ngày 19.10.2017 đến 8.3.2018). Từ kết quả hiệu chỉnh và kiểm định
mô hình, luận án đề xuất một số biện pháp giảm thiểu tình trạng phú dưỡng hồ
thông qua một số kịch bản mô phỏng.
CHƯƠNG 3

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1 Kết quả phân tích chất lượng nước và đánh giá phú dưỡng
- Việc đánh giá chất lượng nước được so sánh với quy chuẩn quốc gia về chất
lượng nước mặt mức A2-QCVN 08:2015/BTNMT, 2015.
16


- Đánh giá mức độ phú dưỡng: Dựa vào tỷ số TN/TP, so sánh với tiêu chuẩn
của Tổ chức Y tế thế giới [12] xem xét chất dinh dưỡng nào là yếu tố hạn chế
với sự phát triển của thực vật nổi. So sánh các thông số TP, TN và Chl.a với
phân loại dinh dưỡng theo tiêu chuẩn của Hakanson [21]. Tính toán chỉ số trạng
thái dinh dưỡng Carlson với chỉ số TSI(TP), TSI(Chl.a) và TSI(TN) [23].
Từ số liệu phân tích chất lượng nước, thực vật nổi một vài kết luận được rút ra
về phú dưỡng hóa ở hồ Cự Chính như sau :
1- Chất lượng nước ở hồ Cự Chính chỉ phù hợp với tiêu chuẩn nước thấp không
phù hợp cho mục đích bảo tồn động thực vật thủy sinh. Nồng độ DO, BOD5
một số thời điểm không phù hợp với QCVN 08–2015, BTNMT mức A2. Nồng
độ các thông số NH4-N, NO2-N, PO4-P lớn hơn tiêu chuẩn cho phép, không
thích hợp cho việc bảo tồn động thực vật nước và có sự biến đổi theo mùa, chủ
yếu tăng về mùa mưa và giảm về mùa khô.
2- Kết quả đánh giá mức độ phú dưỡng cho thấy phốt pho chủ yếu là chất dinh
dưỡng giới hạn sự phát triển của thực vật nổi còn ni tơ chỉ có một số thời điểm
trong các tháng mùa mưa. Trạng thái phú dưỡng của hồ đánh giá theo chỉ số
TSI(TN), TSI(TP), TSI(Chl.a) và nồng độ TN,TP cho thấy mức độ phú dưỡng
trong hồ luôn duy trì ở trạng thái siêu phú dưỡng ngoại trừ với nồng độ Chl.a thì
hồ ở mức đọ phú dưỡng. Điều này chứng tỏ hồ đang ở mức ô nhiễm hữu cơ rất cao.
3- Thực vật nổi trong hồ chiếm ưu thế bởi tảo lục và VKL với những chi điển
hình là chỉ thị sinh học của ô nhiễm hữu cơ như Scenedesmus và nở hoa trong
nước như Microcystis, Anabaena. Mật độ tế bào thực vật nổi trong hồ có sự dao

động lớn có giá trị cao hơn vào mùa mưa. Hơn nữa mật độ tế bào của VKL đặc
biệt là chi Microcystis, Anabaena trong thời gian quan trắc cho thấy nguy cơ
sản sinh ra độc tố thần kinh và độc tố gan tác động lên động thực vật trong hồ.
3.2 Kết quả phát triển mô hình mô phỏng quá trình phú dưỡng
Các tham số của mô hình được phân thành 2 nhóm: Nhóm 1 là 42 tham số có
giá trị là hằng số, được biểu thị chi tiết trong bảng 3.6 và nhóm 2 là 53 tham số
17


có giá trị được xác định dựa trên các khoảng giá trị tin cậy. Quá trình hiệu
chỉnh mô hình sử dụng thuật toán di truyền (GA) để tối ưu giá trị bộ tham số
của mô hình thông qua hàm mục tiêu là giá trị trung bình sai số quân phương
(RMSE). Trình tự các bước thực hiện được trình bày trong hình 3.13.

Hình 3.1 Quá trình tối ưu tham số của mô hình phú dưỡng hồ
Nghiên cứu đã phát triển được một mô hình mô phỏng quá trình phú dưỡng trong
hồ tĩnh, nông với mức độ phù hợp giữa giá trị mô phỏng và giá trị thực đo có thể
chấp nhận. Kết quả của quá trình tối ưu hóa giá trị của 15 tham số có mức độ ảnh
hưởng nhất liên quan đến các nhóm thực vật nổi cho thấy tốc độ tăng trưởng tối
đa, nhiệt độ tối ưu của các nhóm thực vật nổi ở khoảng giá trị nhỏ nhất. Ngược
lại, giá trị của tham số gây suy giảm sinh khối thực vật nổi như hệ số hô hấp, tỷ lệ
chết không bởi ăn mồi dao động ở khoảng giá trị lớn nhất. Trong nghiên cứu đã
thu hẹp được khoảng giá trị cho 15 tham số, giúp cải thiện độ tin cậy cũng như
chính xác cho mô hình mô phỏng quá trình phú dưỡng.
Quá trình tối ưu hóa bằng GA với giá trị hàm mục tiêu nhỏ nhất đã chỉ ta độ tin
cậy để tìm kiếm các giá trị các tham số tối ưu của mô hình. Kết quả mô phỏng
18


và thực đo của nồng độ sinh khối, các chất dinh dưỡng dễ hấp thu các nhóm

thực vật nổi có xu thế biến đổi tương đối phù hợp và có giá trị RMSE thấp.
Bảng 3.11 So sánh giá trị sai số RMSE, RSR và PBIAS của biến trạng thái ở
phép tối ưu của 53 tham số bằng GA, với 15 tham số trước và sau khi điều chỉnh
TT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

Biến trạng
thái
Nồng độ sinh
khối tảo lục
Nồng độ sinh
khối VKL
Nồng độ sinh
khối tảo silic
Nồng độ sinh
khối ĐVPD
TOC

TP
TN
DO
POC
DOC
PO4–P
NH4-N
NO2-N
NO3-N

15 tham số chưa điều chỉnh
RMSE
PBIAS
NSE
RSR
(mg/l)
(%)

15 tham số đã điều chỉnh
RMSE
PBIAS
NSE RSR
(mg/l)
(%)

0,072

0,89

0,502

-29,4

0,006

1,00

0,044

-2,5

0,103

0,65

0,338

-52,8

0,055

0,95

0,18

-23,3

0,005

0,93

0,163

-23,7

0,004

0,95

0,15

-20,7

9E-06

0,95

0,38

-20,0

1E-05

0,94

0,254

-19,9

0,578

0,144
2E-04
0,417
0,037
0,275
0,157
0,03
0,0002
0,06

0,94
-3,29
1,00
0,87
0,99
0,96
-53,2
0,94
1,00
0,65

0,37
0,78
0,001
0,54
0,049
0,247
2,93
0,19
0,0015

0,33

-22,6
-184,0
0,0
-32,5
7,4
-17,1
-654,8
21,1
-0,2
52,7

0,315
0,046
0,012
0,238
0,066
0,261
0,002
0,046
0,035
0,043

0,96
0,91
0,97
0,96
0,98
0,97

0,99
0,95
0,96
0,83

0,2
0,25
0,03
0,31
0,088
0,233
0,037
0,29
0,264
0,238

-12,3
5,6
3,6
18,5
13,4
-16,3
9,1
22,9
22,6
38,5

Kết quả hiệu chỉnh mô hình đưa ra được một số kết quả tương đối hợp lý giữa
xu thế diễn biến cũng như giá trị sai số giữa giá trị mô phỏng và thực đo của
các biến trạng thái. Kết quả chỉ số NSE, RSR và PBIAS cho thấy sự hiệu quả

trong quá trình mô phỏng đối với thông số nồng độ sinh khối tảo lục, VKL và
tảo silic, nồng độ chất dinh dưỡng vô cơ hòa tan, DO và TOC được xếp loại từ
mức đạt đến rất tốt. Chỉ có thông số nồng độ NO3-N có giá trị PBIAS 25% là
chưa đạt yêu cầu khi giữa giá trị mô phỏng và giá trị thực đo ở một số thời điểm
có sự chênh lệch lớn.
Kết quả kiểm định mô hình cho thấy đa số các thông số có quá trình mô phỏng
mô tả tương đối phù hợp với kết quả thực đo. Các giá trị sai số NSE, RSR và
PBIAS cho thấy đối với các thông số nồng độ sinh khối các nhóm thực vật nổi,
19


sinh khối ĐVPD, TOC, TP, TN, DO, DOC và NO3-N hiệu quả mô phỏng của
mô hình xếp loại từ mức đạt đến rất tốt, thông số PO4-P, NH4-N và NO2-N có
chỉ số RSR đạt yêu cầu nhưng chỉ số NSE, PBIAS có sai số lớn chưa đạt yêu
cầu còn với thông số POC thì cả 3 chỉ số đều không đạt yêu cầu. Kết quả này
phần nào cho thấy giá trị của bộ tham số mô hình phú dưỡng hồ có độ tin cậy.
Với những thông số đạt yêu cầu khi đánh giá các trị số sai số, mô hình có thể sử
dụng giá trị bộ tham số để dự báo, mô phỏng các kịch bản ở hồ Cự Chính.
Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình đã chứng minh được tính đúng đắn
mà các phương trình toán học được đề xuất kể trên khi được áp dụng trong thực
tiễn ở một hồ nội đô Hà Nội. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định cho thấy đối với
các thông số nồng độ sinh khối các nhóm thực vật nổi, sinh khối ĐVPD, TOC,
TP, TN, DO, DOC và NO3-N hiệu quả mô phỏng của mô hình được đánh giá
thông qua các giá trị sai số NSE, RSR và PBIAS xếp loại từ mức đạt đến rất tốt.
3.3 Kết quả tính toán mô hình theo các kịch bản mô phỏng
Kết quả so sánh giữa giá trị nồng độ sinh khối thực vật nổi, nồng độ oxy hòa
tan và DIP trong hồ ở trạng thái ban đầu với các kịch bản mô phỏng được thể
hiện trong bảng 3.14.
Bảng 3.14 Tác động, ưu nhược điểm của kịch bản mô phỏng đến nồng độ sinh
khối thực vật nổi, oxy hoàn tan và DIP trung bình ở hồ Cự Chính

Kịch
bản

Độ biến thiên (%)
Sinh
khối
DO
DIP
TVN

Làm
giàu
oxy

- 0,1

+ 24,9

+ 0,01

Nạo
vét
trầm
tích

-11,35

+ 27,8

- 61,07

Hóa
chất
diệt
thực
vật nổi

- 16,45

- 3,24

3,8

Ưu điểm

Nhược điểm

Cải thiện đáng kể
nồng độ DO trong
nước hồ.
Giúp giảm tương đối
lớn nồng độ DIP, độ
sinh khối thực vật
nổi đồng thời cải
thiện DO trong hồ.

Tác động không đáng kể cho
nồng độ sinh khối thực vật
nổi và DIP của hồ.

Giúp giảm tương đối
lớn nồng độ sinh
khối thực vật nổi.

Tốn kém, khó áp dụng
thường xuyên so với một số
kỹ thuật khác.
Mùi, mùi vị và chất độc vẫn
có thể tồn tại trong nước; Có
thể gây ra những thay đổi
đối với các quá trình khác
trong hồ.

Kết quả kịch bản mô phỏng cho thấy với việc sử dụng các biện pháp như nạo
vét trầm tích và hóa chất diệt thực vật nổi có tác động khá lớn giúp giảm thiểu
20


nồng độ sinh khối thực vật nổi trong khi biện pháp sục khí có ảnh hưởng hạn
chế. Trong khi đó đối với nồng độ DO thì biện pháp nạo vét trầm tích có giúp
cải thiện lớn nhất rồi đến biện pháp sục khí còn sử dụng hóa chất diệt thực vật
nổi làm giảm do phân hủy nhiều xác của thực vật nổi hơn nhưng mức giảm
không đáng kể. Đối với nồng độ DIP thì biện pháp nạo vét trầm tích giúp làm
giảm đáng kể nồng độ của chúng góp phần hạn chế sự sinh trưởng và phát triển
của thực vật nổi. Mặc dù biện pháp sử dụng hóa chất mang lại hiệu quả kinh tế
nhưng vẫn còn những mối lo ngại đến hệ sinh thái hồ khi áp dụng biện pháp này.
Trong thực tế ở Hà Nội thì các biện pháp được áp dụng rộng rãi cho nhiều hồ
như biện pháp sục khí và sử dụng hóa chất diệt thực vật nổi. Các biện pháp mặc
dù còn một số hạn chế nhưng đã thu được những kết quả khá tích cực, góp phần
cải thiện chất lượng nước hồ nói chung và hiện tượng phú dưỡng nói riêng. Còn

biện pháp nạo vét trầm tích được sử dụng ít hơn do tốn kém cũng như khó thực
hiện trong thực tế. Vì vậy trong mỗi trường hợp cụ thể mà ta lựa chọn các biện
pháp khác nhau cho phù hợp với mục tiêu đề ra.
3.4 Kết luận chương 3
Kết quả phân tích đánh giá chất lượng nước và phú dưỡng trong hồ Cự Chính
chỉ ra rằng hồ đang bị ô nhiễm hữu cơ và nguyên nhân chủ yếu là nitơ và phốt
pho. Mức độ phú dưỡng trong hồ khá cao khi duy trì ở trạng thái phú dưỡng
thậm chí là siêu phú dưỡng. Ba trong số các nhóm thực vật nổi có mật độ tế bào
chiếm ưu thế trong hồ là tảo lục, VKL, tảo silic và chúng có mối quan hệ chặt
chẽ với nồng độ chất dinh dưỡng, các yếu tố môi trường như nhiệt độ nước và
cường độ bức xạ mặt trời.
Kết quả nghiên cứu trong luận án đã phát triển thành công một mô hình toán
mô phỏng quá trình phú dưỡng trong các vùng nước tĩnh nông và được ứng
dụng ở hồ Cự Chính, một hồ nông đang bị phú dưỡng trong nội đô Hà Nội
được quan trắc trong thời gian 12 tháng.
- Mô hình đã cải tiến phương trình động học chất dinh dưỡng của carbon hữu
cơ, phốt pho và nitơ bằng việc bổ sung thêm nguồn từ khí quyển và lượng nước

21


mưa chảy tràn đồng thời chủ động sử dụng phương pháp Runge-Kutta bậc 4 và
bậc 5 để giải hệ PTVPT.
- Quá trình hiệu chỉnh mô hình trong khoảng thời gian từ 4.5.2017 đến 30.9.2017
đã xác định được bộ tham số tối ưu của mô hình thông qua thuật giải di truyền
GA được tích hợp trong Matlab với giá trị của hàm mục tiêu (RMSE) nhỏ nhất là
0,0791. Giá trị các chỉ số NSE, RSR và PBIAS cho thấy quá trình mô phỏng đối
với thông số nồng độ sinh khối tảo lục, VKL và tảo silic, nồng độ chất dinh
dưỡng vô cơ hòa tan, DO và TOC được xếp loại từ mức đạt đến rất tốt. Chỉ có
thông số NO3-N có giá trị PBIAS 25% là chưa đạt yêu cầu khi giá trị mô

phỏng và giá trị thực đo ở một số thời điểm có sự chênh lệch còn lớn.
- Quá trình kiểm định mô hình nhận thấy đa số các biến trạng thái có kết quả
mô phỏng tương đối phù hợp với kết quả thực đo. Các giá trị sai số NSE, RSR
và PBIAS cho thấy đối với các thông số nồng độ sinh khối các nhóm thực vật
nổi, sinh khối ĐVPD, TOC, TP, TN, DO, DOC và NO3-N cho hiệu quả mô
phỏng xếp loại từ mức đạt đến rất tốt, thông số PO4-P và NO2-N có chỉ số RSR
đạt yêu cầu nhưng chỉ số NSE, PBIAS có giá trị sai số chưa đạt yêu cầu.
Từ kết quả hiệu chỉnh, kiểm định mô hình, thông số nồng độ sinh khối thực vật
nổi và DO được lựa chọn để đánh giá sự thay đổi so với trạng thái ban đầu với
các kịch bản mô phỏng kỹ thuật. Kết quả cho thấy các kịch bản sử dụng hóa chất
diệt thực vật nổi và nạo vét trầm tích cho hiệu quả cao trong việc làm giảm sinh
khối thực vật nổi trong khi kịch bản sục khí và nạo vét trầm tích giúp gia tăng
nồng độ DO trong hồ.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết quả đạt được của luận án
- Đã phát triển thành công một mô hình toán mô phỏng quá trình phú dưỡng
cho hồ tĩnh nông, ứng dụng cho hồ Cự Chính-Hà Nội:
+ Thiết lập hệ phương trình mô phỏng quá trình phú dưỡng mô tả các quá trình
động học các nhóm thực vật nổi, nồng độ chất dinh dưỡng và DO dưới ảnh
22


hưởng bởi các biến ngoại sinh gồm nhiệt độ nước, cường độ bức xạ năng lượng
mặt trời được biểu thị bằng 12 PTVPT với 14 biến trạng thái và 95 tham số.
+ Cải tiến phương trình động học nồng độ chất dinh dưỡng khi bổ sung tải
lượng chất dưỡng lắng đọng từ khí quyển và nước mưa chảy tràn vào hồ trong
khu vực
+ Sử dụng phương pháp Runge - Kutta kết hợp bậc 4 và bậc 5 để giải số xác
định giá trị các biến trạng thái trong hệ PTVPT và được lập trình bằng Matlab
phiên bản 2016a.

+ Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình cho thấy các biến trạng thái của mô
hình như nồng độ sinh khối các nhóm thực vật nổi, nồng độ sinh khối ĐVPD,
DO và một số chỉ tiêu dinh dưỡng có kết quả mô phỏng tốt. Điều đó cho thấy
có thể sử dụng giá trị bộ tham số của mô hình dùng để dự báo các diễn biến
chất lượng nước cũng như sự nở hoa của thực vật nổi.
- Đã đưa ra kết quả các kịch bản mô phỏng thể hiện các biện pháp nhằm giảm
thiểu sinh khối thực vật nổi cũng như tăng nồng độ DO trong nước cho thấy
biện pháp nạo vét trầm tích có những tác động đáng kể đến chất lượng nước hồ
tiếp theo đến sử dụng hóa chất diệt thực vật nổi. Trong khi đó biện pháp sục khí
giúp bổ sung khá tốt nồng độ DO nhưng có tác động không đáng kể đến ngăn
chặn tảo nở hoa trong hồ. Trên cơ sở đánh giá các giải pháp để có thể cân nhắc
lựa chọn phương án áp dụng phù hợp trong thực tế.
2. Những đóng góp mới của luận án
- Phát triển được mô hình toán mô phỏng quá trình trong các vùng nước tĩnh
nông bằng việc bổ sung nồng độ chất dinh dưỡng từ khí quyển và nước mưa
chảy tràn.
- Ứng dụng mô hình đã phát triển cho hồ Cự Chính ở nội đô Hà Nội với giá trị
bộ tham số hiệu chỉnh tương ứng.
3. Những hạn chế và định hướng nghiên cứu tiếp theo
Luận án tập trung mô phỏng quá trình phú dưỡng ở hồ nông với giả thiết hồ pha
trộn hoàn toàn và không có nguồn gia nhập nước thải tập trung. Nguồn bổ sung
23