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

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2019


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: 9.44.03.03

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

PGS.TS BÙI QUỐC LẬP

HÀ NỘI, NĂM 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một
nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã
được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận án

Tạ Đăng Thuần

i


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, NCS xin gửi lời cảm ơn tới Trường Đại học Thủy Lợi đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi cho NCS trong thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Với lòng biết ơn sâu sắc, NCS xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Bùi Quốc Lập, người đã
dành thời gian, tâm sức tận tình hướng dẫn NCS trong suốt quá trình thực hiện bản
luận án này.
NCS xin cảm ơn các Thầy Cô ở Khoa Môi trường đặc biệt là các Thầy Cô trong bộ
môn Quản lý môi trường, Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học - Trường Đại học
Thủy Lợi, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hóa học các hợp chất hữu cơ thiên nhiên
- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và nhiều chuyên gia đã giúp đỡ

NCS trong quá trình thực hiện và hoàn thiện luận án.
NCS xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu - Trường Đại học Sư Phạm kỹ thuật Hưng
Yên, Lãnh đạo Khoa Công nghệ hóa học và Môi trường, cũng như bạn bè đồng nghiệp
đã ủng hộ và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp NCS hoàn thành luận án.
Một số thí nghiệm cũng như kinh phí hoàn thiện luận án được hỗ trợ từ nguồn học
bổng chính phủ theo đề án 911.
Cuối cùng, NCS xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, ủng hộ NCS trong suốt quá
trình làm luận án.

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.................................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ......................... ix
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài.......................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................3
3.1 Đối tượng nghiên cứu ...................................................................................3
3.2 Phạm vi nghiên cứu .......................................................................................3
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu..........................................................3
4.1 Cách tiếp cận .................................................................................................3
4.2 Phương pháp nghiên cứu...............................................................................4
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án..........................................................4
5.1 Ý nghĩa khoa học ..........................................................................................4
5.2 Ý nghĩa thực tiễn ...........................................................................................4
6. Những đóng góp mới của luận án .......................................................................4
7. Cấu trúc của luận án ............................................................................................5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU................................................6
1.1 Tổng quan về phú dưỡng ...................................................................................6
1.1.1 Khái niệm, cơ chế hình thành phú dưỡng ..................................................6
1.1.2 Nguyên nhân gây phú dưỡng......................................................................7
1.1.3 Phương pháp đánh giá phú dưỡng hồ .........................................................9
1.2 Tình hình nghiên cứu, phát triển mô hình phú dưỡng hồ ................................11
1.2.1 Tình hình nghiên cứu, phát triển mô hình phú dưỡng hồ trên thế giới ....11
1.2.2 Tình hình nghiên cứu, phát triển mô hình phú dưỡng hồ ở Việt Nam .....20
1.2.3 Những vấn đề cần giải quyết ....................................................................23
1.3 Tổng quan phạm vi nghiên cứu .......................................................................25
1.3.1 Tổng quan hồ Hà Nội ...............................................................................25
1.3.2 Hiện tượng phú dưỡng hồ Hà Nội ............................................................26
1.3.2 Tổng quan khu vực nghiên cứu hồ Cự Chính ..........................................30
1.4 Kết luận chương 1 ...........................................................................................33

iii


CHƯƠNG 2 PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH PHÚ
DƯỠNG TRONG HỒ TĨNH NÔNG ............................................................................35
2.1 Các bước phát triển mô hình toán mô phỏng phú dưỡng hồ ...........................35
2.2 Cơ sở lý thuyết phát triển mô hình phú dưỡng ................................................37
2.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến phú dưỡng ......................................................37
2.2.2 Các giả thiết trong phát triển mô hình phú dưỡng hồ...............................44
2.2.3 Các quá trình mô phỏng trong phát triển mô hình phú dưỡng .................44
2.2.4 Phương trình mô phỏng quá trình phú dưỡng trong hồ ............................45
2.2.5 Phương trình mô phỏng phú dưỡng hồ cải tiến ........................................53
2.3 Phương pháp giải phương trình .......................................................................57
2.3.1 Phương pháp Runge-Kutta giải PTVPT ...................................................57
2.3.2 Phương pháp đánh giá mô hình ................................................................59

2.3.3 Phần mềm Matlab .....................................................................................64
2.4 Lấy mẫu, đo đạc thực nghiệm .........................................................................67
2.4.1 Đo đạc, tính toán dữ liệu biến ngoại sinh .................................................67
2.4.2 Đo đạc, phân tích chất lượng nước ...........................................................69
2.5 Ứng dụng mô hình phú dưỡng phát triển ở hồ Cự Chính-Hà Nội ..................73
2.5.1 Sơ đồ khối của chương trình lập trình mô hình ........................................73
2.5.2 Thiết lập mô hình......................................................................................74
2.5.3 Số liệu hiệu chỉnh mô hình .......................................................................75
2.5.4 Số liệu kiểm định mô hình .......................................................................79
2.5.5 Các kịch bản mô phỏng của mô hình .......................................................82
2.6 Kết luận chương 2 ...........................................................................................84
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .....................................85
3.1 Kết quả phân tích chất lượng nước và đánh giá phú dưỡng ............................85
3.1.1 Giá trị thông số chất lượng nước và mối liên hệ giữa chúng ...................85
3.1.2 Đánh giá mức độ phú dưỡng ....................................................................94
3.1.3 Quần xã thực vật nổi.................................................................................97
3.2 Kết quả phát triển mô hình mô phỏng quá trình phú dưỡng .........................103
3.2.1 Giá trị, khoảng giá trị các tham số của mô hình .....................................103
3.2.2 Phân tích độ nhạy ...................................................................................109
3.2.3 Hiệu chỉnh mô hình ................................................................................112
3.2.4 Kết quả kiểm định mô hình ....................................................................132
3.2.5 Kết quả mô phỏng sự phát triển tảo sử dụng các hàm giới hạn .............138
3.2.6 Nhận xét mô hình phát triển ...................................................................144
iv


3.3 Kết quả tính toán mô hình theo các kịch bản mô phỏng ...............................145
3.4 Kết luận chương 3 .........................................................................................149
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................151
1. Kết quả đạt được của luận án ..........................................................................151

2. Những đóng góp mới của luận án ...................................................................151
3. Những hạn chế và định hướng nghiên cứu tiếp theo .......................................152
4. Kiến nghị .........................................................................................................152
DANH MỤC CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ ...........................................................153
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................154
PHỤ LỤC ....................................................................................................................166

v


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Mô hình cân bằng phốt pho: (a) mô tả quá trình lắng là tổn thất một chiều tới
trầm tích và (b) bao gồm quá trình trao đổi của trầm tích với cột nước ............................. 13
Hình 1.2 Phân chia động học trong mô hình dinh dưỡng, chuỗi thức ăn ........................... 16
Hình 1.3 Bản đồ khu vực nghiên cứu .................................................................................. 31
Hình 2.1 Các bước phát triển mô hình toán mô phỏng quá trình phú dưỡng..................... 35
Hình 2.2 Sơ đồ mô hình mô phỏng phú dưỡng trong hồ tĩnh nông ................................... 46
Hình 2.3 Sơ đồ thuật giải di truyền ...................................................................................... 61
Hình 2.4 Giao diện công cụ GA trong Matlab .................................................................... 66
Hình 2.5 Sơ đồ khối của chương trình................................................................................. 73
Hình 2.6 Tổng quan dữ liệu đầu vào, đầu ra của mô hình phú dưỡng hồ .......................... 74
Hình 2.7 Nhiệt độ nước trung bình ngày thời đoạn hiệu chỉnh mô hình ............................ 76
Hình 2.8 Cường độ bức xạ mặt trời trung bình ngày thời đoạn hiệu chỉnh mô hình ......... 76
Hình 2.9 Lượng mưa ngày trong thời đoạn hiệu chỉnh mô hình ........................................ 77
Hình 2.10 Nồng độ chất dinh dưỡng trong nước mưa thời đoạn hiệu chỉnh mô hình ....... 78
Hình 2.11 Nhiệt độ nước trung bình ngày thời đoạn kiểm định mô hình .......................... 80
Hình 2.12 Cường độ bức xạ mặt trời trung bình ngày kiểm định mô hình ........................ 80
Hình 2.13 Lượng mưa ngày trong thời đoạn kiểm định mô hình ....................................... 81
Hình 2.14 Nồng độ chất dinh dưỡng trong nước mưa thời đoạn kiểm định mô hình........ 81
Hình 3.1 Biểu đồ các chỉ tiêu hóa lý ở hồ Cự Chính (a. Nhiệt độ, b.pH, c.DO, d. Độ

dẫn điện (EC), e. BOD5) ................................................................................................87
Hình 3.2 Sự biến đổi giá trị các thông số chất dinh dưỡng ở hồ Cự Chính a. NH4-N,
b.NO2-N, c. NO3-N, d. TN, e. PO4-P, f. TP, g. DOC, h. TOC, i.Chl.a .........................91
Hình 3.3 Giá trị TN/TP theo thời gian quan trắc (TN/TP<4,5: Nitơ là chất dinh dưỡng
giới hạn, 4,5 ≤TN/TP ≤ 6: Nitơ, phốt pho là chất dinh dưỡng giới hạn, TN/TP>6: Phốt
pho là chất dinh dưỡng giới hạn) ...................................................................................95
Hình 3.4 Biểu đồ tỷ lệ TN/TP theo mùa ở hồ Cự Chính ...............................................95
Hình 3.5 Trạng thái phú dưỡng hồ theo chỉ số dinh dưỡng Carlson TSI (<40, nghèo
dinh dưỡng; 40-50: trung dưỡng; 50-70: phú dưỡng; >70: siêu phú dưỡng .................96
Hình 3.6 Tỷ lệ phần trăm của các nhóm thực vật nổi ở hồ Cự Chính ...........................98
Hình 3.7 Biến động mật độ tế bào thực vật nổi tại hồ Cự Chính ..................................99
vi


Hình 3.8 Biến động mật độ tế bào vi khuẩn lam tại hồ Cự Chính.................................... 100
Hình 3.9 Biến động mật độ tế bào tảo lục tại hồ Cự Chính .............................................. 100
Hình 3.10 Biểu đồ thể hiện mối liên hệ giữa nồng độ DIN+DIP, DO với mật độ tế bào 101
Hình 3.11 Biểu đồ thể hiện mối liên hệ giữa nhiệt độ nước và mật độ tế bào thực vật nổi
............................................................................................................................................. 102
Hình 3.12 Biểu đồ thể hiện mối liên hệ giữa cường độ bức xạ mặt trời và mật độ tế bào thực
vật nổi.................................................................................................................................. 102
Hình 3.13 Quá trình tối ưu tham số của mô hình phú dưỡng hồ ...................................... 113
Hình 3.14 Kết quả biểu thị tối ưu giá trị 15 tham số bằng GA ......................................... 115
Hình 3.15 Phân bố tần suất xuất hiện của 15 tham số được tối ưu bởi GA ..................... 117
Hình 3.16 Các giá trị hàm mục tiêu nhỏ nhất khi tối ưu bằng GA ................................... 119
Hình 3.17 Kết quả biểu thị tối ưu giá trị 53 tham số trước khi điều chỉnh bằng GA ....... 120
Hình 3.18 Kết quả biểu thị tối ưu giá trị 53 tham số sau khi điều chỉnh bằng GA .......... 121
Hình 3.19 Kết quả so sánh giá trị mô phỏng và thực đo của các biến trạng thái mô hình
(a,b,c nồng độ sinh khối tảo lục, vi khuẩn lam và tảo silic; d.PO4-P, e.TP, f.NH4-N,
g.NO2-N, h.NO3-N, i.TN, j.DOC, k.TOC, l.DO, m.Nồng độ sinh khối ĐVPD) ............. 126

Hình 3.20 Kết quả so sánh giá trị mô phỏng và thực đo của các biến trạng thái của mô
hình (a,b,c nồng độ sinh khối tảo lục, vi khuẩn lam và tảo silic; d.PO4-P, e.TP, f.NH4-N,
g.NO2-N, h.NO3-N, i.TN, j.DOC, k.TOC, l.DO, m. nồng độ sinh khối ĐVPD) ............. 137
Hình 3.21 Hàm giới hạn của chất dinh dưỡng đối với sự phát triển của các nhóm thực vật
nổi (a.Tảo lục, b.Vi khuẩn lam, c.Tảo silic, d.Giá trị tổng hợp) ....................................... 140
Hình 3.22 Sự thay đổi theo mùa các biến thành phần, toàn phần của DIP ...................... 141
Hình 3.23 Hàm giới hạn cường độ bức xạ mặt trời với sự phát triển của thực vật nổi.... 142
Hình 3.24 Hàm giới hạn của nhiệt độ nước đối với sự phát triển của các nhóm thực vật
nổi ....................................................................................................................................... 142
Hình 3.25 Tích 3 hàm giới hạn với sự phát triển của các nhóm thực vật nổi................... 144
Hình 3.26 Kết quả so sánh giữa giá trị ban đầu với kịch bản mô phỏng của nồng độ sinh
khối thực vật nổi ................................................................................................................. 146
Hình 3.27 Kết quả so sánh giữa giá trị ban đầu với kịch bản mô phỏng của nồng độ oxy
hòa tan trong hồ .................................................................................................................. 147
Hình 3.28 Kết quả so sánh giữa giá trị ban đầu với kịch bản mô phỏng của nồng độ DIP
trong hồ ............................................................................................................................... 147
vii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Phân loại mức độ dinh dưỡng hồ theo phương pháp Hakanson [21] ................... 9
Bảng 1.2 Tổng quan về mô hình phú dưỡng hồ [24] .......................................................... 11
Bảng 1.3 Một số hồ nội đô Hà Nội không có nguồn thải tập trung đổ trực tiếp [68] ........ 28
Bảng 1.4 Nhiệt độ trung bình tháng tại trạm Láng từ năm 2002-2018 (oC) [76]............... 32
Bảng 1.5 Số giờ nắng trung bình tháng tại trạm Láng từ năm 2002-2018 (giờ) [76] ........ 32
Bảng 1.6 Độ ẩm tương đối trung bình tháng tại trạm Láng từ năm 2002-2018 (%) [76].. 33
Bảng 1.7 Lượng mưa trung bình tháng tại trạm Láng từ năm 2002-2018 (mm) [76] ....... 33
Bảng 2.1 Tỷ lệ TN/TP cho điều kiện hạn chế khác nhau ở vùng nước ngọt [12].............. 40
Bảng 2.2 Các tham số của mô hình ..................................................................................... 55
Bảng 2.3 Tiêu chí đánh giá chất lượng cho các chỉ số sai số [122] .................................... 63

Bảng 2.4 Giá trị ban đầu của các biến trạng thái khi hiệu chỉnh mô hình .......................... 75
Bảng 2.5 Giá trị nồng độ chất dinh dưỡng có trong nước mưa chảy tràn .......................... 79
Bảng 2.6 Giá trị ban đầu của các biến trạng thái khi kiểm định mô hình .......................... 79
Bảng 3.1 Thống kê mô tả các thông số chất lượng nước ở hồ Cự Chính .......................... 92
Bảng 3.2 Hệ số tương quan Spearman(r) giữa các thông số chất lượng nước ................... 92
Bảng 3.3 Phân loại dinh dưỡng của hồ Cự Chính theo phương pháp Hakanson............... 97
Bảng 3.4 Nhóm thực vật nổi và các chi điển hình .............................................................. 98
Bảng 3.5 Giá trị tham số là hằng số của mô hình phú dưỡng hồ ...................................... 106
Bảng 3.6 Khoảng giá trị hiệu chỉnh các tham số của mô hình ......................................... 107
Bảng 3.7 Năm tham số nhạy nhất ứng với từng biến trạng thái của mô hình .................. 110
Bảng 3.8 Khoảng giá trị của 15 tham số có mức độ ảnh hưởng lớn nhất ........................ 114
Bảng 3.9 Giá trị thống kê mô tả 15 tham số của mô hình sau 38 lần chạy GA ............... 116
Bảng 3.10 10 giá trị hàm mục tiêu nhỏ nhất qua 38 lần chạy GA .................................... 119
Bảng 3.11 So sánh giá trị sai số RMSE, NSE, 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.................. 121
Bảng 3.12 Kết quả giá trị 53 tham số mô hình được tối ưu bằng GA .............................. 130
Bảng 3.13 Giá trị sai số RMSE, NSE, RSR và PBIAS trong kiểm định mô hình ........... 133
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................................................... 148

viii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ
BĐKH : Biến đổi khí hậu
BOD : Biochemical Oxygen Demand (nhu cầu oxy hóa sinh học)
BTNMT : Bộ Tài nguyên và Môi trường
Chl.a : Chlorophyll-a (Diệp lục a)
CZP : Nồng độ sinh khối của động vật phù du
DIN : Dissolved Inorganic Nitrogen (Nitơ vô cơ hòa tan)

DIP : Dissolved Inorganic Phosphorous (Phốt pho vô cơ hòa tan)
DOC : Dissolved Organic Carbon (Carbon hữu cơ hòa tan)
DOM : Dissolved Organic Matter (Vật chất hữu cơ hòa tan)
ĐVPD : Động vật phù du
Fitness : Fitness function (Hàm mục tiêu)
GA : Genetic Algorithm (Thuật giải di truyền)
ODE : Ordinary differential equations (Phương trình vi phân thường)
ON : Organic Nitrogen (Nitơ hữu cơ)
OP : Organic Phosphorous (Phốt pho hữu cơ)
PBIAS : Percent BIAS (Chỉ số phần trăm sai số)
POC : Particulate Organic Carbon (Carbon hữu cơ dạng hạt)
POM : Particulate Organic Matter (Vật chất hữu cơ dạng hạt)
PTVPT : Phương trình vi phân thường
QCVN : Quy chuẩn Việt Nam
RMSE : Root Mean Square Error (Sai số quân phương)
RSR : RMSE-observations standard deviation ratio (tỷ lệ giữa sai số quân phương và
độ lệch chuẩn của số liệu thực đo)
TOC : Total Organic Carbon (tổng carbon hữu cơ)
TSI : Trophic state index (Chỉ số trạng thái dinh dưỡng)
VKL : Vi khuẩn lam
WHO : World Health Organization (Tổ chức Y tế thế giới)

ix


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,… Sau mỗi chu kỳ sinh
trưởng, phần xác rong, tảo lắng xuống đáy hồ làm cho chúng dần trở nên nông hơn và
dung tích trữ nước của các hồ giảm xuống. Hơn nữa, khi tập trung quá mức các chất
hữu cơ của xác rong tảo ở đáy hồ trong điều kiện thiếu oxy hòa tan sẽ diễn ra quá trình
phân hủy yếm khí tạo ra các khí gây mùi mạnh độc hại như Hydro Sulfua (H2S) và
Mercaptane (CH3SH). Chúng có thể gây độc cho cá, sinh vật thủy sinh và phát tán mùi
làm ô nhiễm môi trường không khí, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người. 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 (mô
hình 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
1


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].

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

2. Mục tiêu nghiên cứu
Các mục tiêu chính của luận án:
- Phát triển công cụ mô hình toán mô phỏng quá trình phú dưỡng ở các vùng 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
3


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.
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 phú dưỡng trong các vùng nước
4


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.
7. Cấu trúc của luận án
Cấu trúc của luận án bao gồm:
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu
Trình bày tổng quan các nghiên cứu về mô hình phú dưỡng hồ trên thế giới và Việt
Nam. Phân tích, đánh giá chỉ ra những tồn tại của nghiên cứu đã có để từ đó dẫn dắt
tới các vấn đề mà luận án tập trung hướng tới để thực hiện.
Chương 2. Phát triển mô hình toán mô phỏng quá trình phú dưỡng trong hồ tĩnh nông
Xác lập các cơ sở khoa học, thực tiễn trong đó cơ sở lý thuyết phát triển mô hình, các
phương pháp nghiên cứu và các số liệu thu thập, đo đạc cần thiết được sử dụng trong
nghiên cứu.
Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Trình bày các kết quả trong phát triển mô hình phú dưỡng trong các vùng nước tĩnh
nông bao gồm các thành phần cải tiến trong các phương trình toán, kết quả lập trình,
hiệu chỉnh, kiểm định và các kịch bản mô phỏng.
Kết luận và kiến nghị,
Danh mục các công trình đã công bố, Tài liệu tham khảo, Phụ lục.

5


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về phú dưỡng
1.1.1 Khái niệm, cơ chế hình thành phú dưỡng

1.1.1.1 Khái niệm
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 bao gồm tảo trôi nổi tự
do, tảo bám dính hay cộng sinh và thực vật nước có rễ hay còn gọi là hiện tượng nở
hoa trong nước, 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].
1.1.1.2 Cơ chế hình thành
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 và 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].
Sự tăng trưởng của thực vật nổi đặc biệt là tảo là một trong những quá trình chủ yếu
của phú dưỡng. Sinh khối thực vật nổi được sản sinh thông qua quá trình quang hợp
bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời và các chất vô cơ được tóm tắt như sau [1]:
Ánh sáng + 6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2

(1-1)

Trong đó glucose (C6H12O6) đại diện cho hợp chất hữu cơ trong thực vật.
Thực vật nổi sản sinh ra oxy thông qua quá trình quang hợp và tiêu thụ oxy thông qua
quá trình hô hấp. Lượng oxy sản sinh ra phụ thuộc vào dạng nitơ vô cơ sử dụng cho
quá trình tăng trưởng của thực vật nổi được thể hiện trong phương trình sau [7]:
NTVL
106CO +16NH +HPO +106H O NL


 C

6

H

O

N P + 106O + 15H

(1-2)


NTVL
106CO +16NO +HPO +122H O+17H NL

 C

H

O

N P +138O

(1-3)

Khi cường độ bức xạ mặt trời tăng lên sẽ cung cấp thêm nguồn năng lượng cho quá
trình quang hợp dẫn đến sinh khối của thực vật nổi tăng khi sử dụng các chất dinh
dưỡng dưới dạng hòa tan. Cơ chế này tiếp diễn đến khi chất dinh dưỡng trong nước
không đáp ứng được nhu cầu phát triển của thực vật nổi thì sự gia tăng sinh khối sẽ

dừng lại [8].
1.1.2 Nguyên nhân gây phú dưỡng
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 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].
Đối với các vùng nước chịu ảnh hưởng của các nguồn thải đầu vào thì nguyên nhân
chính gây ra phú dưỡng là do các nguồn đầu vào chứa nhiều chất dinh dưỡng [12]. Các
nguồn thải chủ yếu gây ra phú dưỡng là từ khu vực đô thị và từ hoạt động sản xuất
nông nghiệp. Trong đó, nguồn thải đô thị (công nghiệp, sinh hoạt) đóng góp một lượng
đáng kể các chất dinh dưỡng đổ vào hệ thống sông, hồ. Thêm vào đó tại các đô thị,
việc sử dụng các chất tẩy rửa trong sinh hoạt nên nước thải sinh hoạt là một trong
những nguồn bổ sung phốt pho quan trọng đổ vào các vùng nước [13].
Có hai loại nguồn dinh dưỡng chủ yếu là nguồn điểm và nguồn phân tán. Các nguồn
phân tán thường là mối quan tâm lớn hơn nguồn điểm vì lượng lớn, phạm vi rộng và
khó kiểm soát hơn. Các nguồn phân tán như lắng đọng từ khí quyển và nước chảy tràn
trên bề mặt đã thay thế nguồn điểm là tác nhân chính gây phú dưỡng trong nhiều loại
vùng nước khác nhau [14].
Nguồn cung cấp nitơ và phốt pho từ sự lắng đọng của khí quyển bao gồm khuếch tán
từ không khí (lắng đọng khô) và mưa (lắng đọng ướt) là nguồn dinh dưỡng đáng kể từ
bên ngoài cho hệ sinh thái dưới nước đặc biệt với các vùng nước ở trong các khu vực
đô thị khi ít có sự gia nhập của các nguồn thải tập trung. Chất ô nhiễm được lắng đọng
trực tiếp hoặc gián tiếp vào trong các vùng nước và ảnh hưởng đến chất lượng nước
của chúng. Lắng đọng trực tiếp xảy ra khi các chất ô nhiễm được lắng đọng lên bề mặt
7


của vùng nước còn lắng đọng gián tiếp xảy ra khi các chất ô nhiễm được lắng đọng
trên bề mặt đất trước và sau đó được rửa trôi vào trong nước thông qua lượng nước
mưa chảy tràn [15]. Trong đó, sự lắng đọng nitơ có nồng độ cao hơn so hơn với phốt

pho bao gồm nitơ vô cơ hòa tan và một số hợp chất hữu cơ khác [6] bởi trong thành
phần của không khí nitơ chiếm tới 78% theo thể tích. Theo nghiên cứu của FISRWG
trong nước mưa nồng độ trung bình của TN là 0,9 mg/l trong khi đó TP là 0,015 mg/l
[16]. Ở Việt Nam theo nghiên cứu của Minju Lee et al. (2017) quan trắc, phân tích
chất lượng nước mưa tại Cự Khê (Hà Nội) từ tháng 8 năm 2014 đến tháng 7 năm 2015
cho giá trị nồng độ trung bình của NO2-N là 0,23 (0-1,398) mg/l, NO3-N là 0,96 (0,18,6) mg/l và NH4-N là 0,33 (0,03-0,86) mg/l. Thêm vào đó nghiên cứu của Nguyen
Thi Thu Thuy et al. (2017) cho thấy nồng độ DOC, POC được quan trắc tại Hà Nội
năm 2015 ở giai đoạn mùa mưa (từ 4-20 tháng 8) có giá trị nồng độ trung bình lần lượt
là 1,51 (0,9-2,11) mg/l; 1,06 (0,05-4,57) mg/l và mùa khô (ngày 4-30 tháng 11) là 1,09
(0,51-1,83) mg/l; 0,41 (0,26-0,72) mg/l [17]. Từ các nghiên cứu cho thấy nồng độ chất
dinh dưỡng trong nước mưa ở khu vực Hà Nội khá cao góp phần cung cấp thêm nguồn
dinh dưỡng cho các hồ.
Thêm vào đó do ảnh hưởng của quá trình đô thị hóa khi thảm thực vật trên bề mặt đệm
được thay bằng những toà nhà, khu trung tâm thương mại, bãi đậu xe, mặt đường giao
thông và các công trình dân dụng khác đã làm cho bề mặt đệm không thấm tăng lên ở
đô thị. Bề mặt đệm không thấm tăng cùng với các hoạt động phát triển kinh tế trên bề
mặt đệm làm nhiều chất ô nhiễm tích luỹ trên bề mặt và khi mưa các chất ô nhiễm sẽ
cuốn trôi theo nước mưa chảy tràn [18]. Nguồn chất dinh dưỡng trong nước mưa chảy
tràn đổ vào hồ là một trong những nguồn quan trọng làm suy thoái chất lượng nguồn
nước trong đó có các chất hữu cơ chủ yếu là hợp chất của nitơ và phốt pho. Nước mưa
chảy tràn có nồng độ TN trong khoảng từ 3-10 mg/l và TP từ 0,2-1,7 mg/l [16]. Ở Việt
Nam trong nghiên cứu của Nguyễn Văn Hồng khi phân tích các mẫu nước mưa chảy
tràn đặc trưng cho khu vực đô thị ở thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2013-2014 có
giá trị nồng độ trung bình các chất hữu cơ bao gồm TN là 2,82 (2,016-3,98) mg/l,
NH4-N là 1,46 (0,905- 1,976) mg/l, NO3-N là 0,201 (0,056-0,371) mg/l và TP là 0,608
(0,135-1,126) mg/l [18].

8

Ngoài ra chất dinh dưỡng tuần hoàn từ quá trình bài tiết của các sinh vật, sự phân hủy
và trao đổi các chất dinh dưỡng ở bề mặt trầm tích đáy và cột nước góp phần lớn thúc
đẩy quá trình phú dưỡng trong hồ.
1.1.3 Phương pháp đánh giá phú dưỡng hồ
Đánh giá phú dưỡng là điều cần thiết để xác định mức độ phú dưỡng trong khu vực
nghiên cứu để có cái nhìn tổng thể, từ đó đề xuất các giải pháp phù hợp để giảm thiểu
tác động tiêu cực của chúng.
Để nhận biết trạng thái dinh dưỡng trong các vùng nước, một số thuật ngữ như nghèo
dinh dưỡng, dinh dưỡng trung bình, phú dưỡng và siêu phú dưỡng đã được định nghĩa
để sử dụng [19]. Nghèo dinh dưỡng là trạng thái hồ có nồng độ chất dinh dưỡng thấp,
không có động thực vật thủy sinh. Những hồ này có rất ít thực vật nổi và thích hợp cho
mục đích cấp nước. Trung dưỡng là trạng thái hồ có nồng độ dinh dưỡng trung bình,
đời sống của động thực vật thủy sinh khá phong phú và cho thấy những dấu hiệu ban
đầu các vấn đề chất lượng nước. Phú dưỡng là trạng thái hồ có nhiều chất dinh dưỡng
tập trung, sinh vật nổi phát triển phong phú, cho thấy dấu hiệu ngày càng lớn các vấn
đề chất lượng nước. Siêu phú dưỡng là trạng thái hồ mà nồng độ chất dinh dưỡng
chiếm ưu thế, sự phát triển của thực vật thủy sinh được xác định bởi các yếu tố vật lý.
Các vấn đề chất lượng nước gần như liên tục và trở nên nghiêm trọng. Sinh vật thủy
sinh ngưng phát triển ở độ sâu thấp hơn khi nồng độ oxy hòa tan suy giảm [20].
Có nhiều nghiên cứu phát triển 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 [21].
Bảng 1.1 Phân loại mức độ dinh dưỡng hồ theo phương pháp Hakanson [21]
Thông số
Tổng phốt pho (mg/l)
Tổng nitơ (mg/l)
Chl.a (g/l)

Nghèo dinh

dưỡng
< 0,008

Dinh dưỡng
trung bình
0,008 – 0,025

0,025 – 0,06

Siêu phú
dưỡng
> 0,06

< 0,06
<2

0,06 – 0,18
2–6

0,18 – 0,43
6 – 20

> 0,43
> 20

Phú dưỡng

Hiện nay nồng độ TN và TP được coi là yếu tố chính gây ra hiện tượng phú dưỡng
trong hệ sinh thái nước ngọt. Như vậy với phương pháp của Hakanson đánh giá mức
9

độ phú dưỡng trong hồ cần tập trung phân tích các thông số TN, TP đại diện cho nồng
độ các chất dinh dưỡng trong hồ và thông số Chl.a để xem xét sự phát triển của thực
vật nổi trong hồ. Đây là phương pháp có độ tin cậy cao khi sử dụng các thông số cơ
bản đặc trưng cho nguyên nhân gây ra phú dưỡng và đã được sử dụng rộng rãi với
nhiều đối tượng hồ khác nhau khi có độ sâu và ở các vùng khí hậu khác nhau. Tuy
nhiên, giàu chất dinh dưỡng trong nước chỉ là điều kiện cần chứ chưa phải là điều kiện
đủ cho “sự bùng nổ tảo”. Phú dưỡng không có khả năng xảy ra nếu nồng độ TN và TP
trong nước ở mức thấp, nhưng cũng có thể không xảy ra trong nước khi TN và TP ở
nồng độ cao nếu các điều kiện khác như nhiệt độ, ánh sáng và vận tốc dòng nước
không thuận lợi.
Thêm vào đó phương pháp đánh giá mức độ phú dưỡng theo chỉ số trạng thái dinh
dưỡng Carlson (Trophic State Index-TSI). Phương pháp Carlson tập trung vào xây
dựng công thức tính toán trạng thái dinh dưỡng 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 [22].
Công thức TSI(TP) và TSI(Chl.a) được tính toán như sau:
TSI(TP) = 14,42 × ln(TP) + 4,15 (TP: g/l)

(1-4)

TSI(Chl.a) =9,81×ln(Chl.a) + 30,6 (Chl.a: g/l)

(1-5)

Tuy vậy trong một số trường hợp không phải TP mà TN là chất dinh dưỡng hạn chế sự
bùng nổ của tảo trong các vùng nước. Với trường hợp này thì nghiên cứu của Kratzer
và Brezonik (1981) đã bổ sung thêm giá trị TSI(TN) và được tính bằng công thức [23]:
TSI(TN) = 14,43×ln(TN) + 54,45 (TN: mg/l)

(1-6)

Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ đã phân chia giá trị TSI thành 4 nhóm: Hồ nghèo dinh
dưỡng có giá trị TSI nhỏ hơn 40, hồ dinh dưỡng trung bình có giá trị TSI từ 40–50, từ
50–70 là hồ phú dưỡng và lớn hơn 70 là hồ siêu phú dưỡng [22].
Các phương pháp trên đều có ưu điểm là đánh giá nhanh, cần ít thông số phân tích và
được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về phú dưỡng hồ trên thế giới. Tuy vậy
phú dưỡng là một quá trình phức tạp, chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố nên cần có
những phân tích, đánh giá mối liên hệ giữa nồng độ chất dinh dưỡng với các yếu tố
môi trường như nhiệt độ nước, cường độ bức xạ ánh sáng mặt trời… Thực tế thấy rằng
10


khi ở điều kiện ánh sáng và nhiệt độ nước thích hợp sẽ tạo thuận lợi để thực vật nổi,
trong đó có tảo lục, VKL độc phát triển mạnh ở một số vùng nước Việt Nam trong đó
các chi Microcystis, Anabaena của VKL (gây hiện tượng nở hoa trong nước), chi
Scenedesmus của tảo lục là những chỉ thị sinh học của phú dưỡng trong hồ nước ngọt
[13]. Vì vậy cần có những phân tích cụ thể hơn mật độ các loài thực vật nổi và nồng
độ độc tố của tảo độc trong hồ để có cái nhìn chi tiết hơn về phú dưỡng.
Như vậy hiện nay có hai phương pháp được sử dụng rộng rãi trong đánh giá mức độ
phú dưỡng trong các vùng nước ngọt là phương pháp của Hakanson và Carlson. Hai
phương pháp đều sử dụng tập trung vào 3 thông số là TN, TP và Chl.a nhưng có cách
thức thể hiện khác nhau. Vì vậy khi đánh giá phú dưỡng trong hồ cần có sự kết hợp hai
phương pháp trên để có thể có cái nhìn toàn diện hơn về tình trạng, mức độ phú dưỡng
của đối tượng hồ nghiên cứu. Ngoài ra nên có thêm đánh giá về các mật độ các loài tảo
độc như là chỉ thị sinh học trong hồ bị phú dưỡng để có những cảnh bảo kịp thời.
1.2 Tình hình nghiên cứu, phát triển mô hình phú dưỡng hồ
1.2.1 Tình hình nghiên cứu, phát triển mô hình phú dưỡng hồ trên thế giới
Việc nghiên cứu xây dựng và phát triển các mô hình phú dưỡng hồ đã được bắt đầu từ

thập niên 70 và được sử dụng rộng rãi trong thập niên 80, 90 của thế kỷ 20 nhằm mục
đích quản lý, kiểm soát phú dưỡng nói riêng và chất lượng nước hồ nói chung [24].
Đến nay đã có nhiều các công trình nghiên cứu xây dựng và phát triển mô hình phú
dưỡng từ trước đến nay và được tổng hợp trình bày trong bảng 1.2.
Bảng 1.2 Tổng quan về mô hình phú dưỡng hồ [24]
Tên mô
hình
Vollenweider
Imboden
O’Melia
Larsen
Lorenzen
Thomann 1
Di Toro
Jorgensen
Cleaner
Salmo

Số biến
trạng
thái
1
2
2
3
2
8
7
17
40

17

Chất
dinh
dưỡng
P(N)
P
P
P
P
P,N,C
P,N
P,N,C
P,N,C,Si
P,N

Phân
đoạn

Chiều
hay lớp

1
1
1
1
1
1
7
1

Một vài
1

1 lớp
2 lớp, 1 chiều
1 chiều
1 lớp
1 lớp
2 lớp
1 lớp
1–2 chiều
Một vài lớp
2 lớp

11

Hiệu chỉnh
(C) và kiểm
định(V)
C+V
C+V
C
C
C+V
C+V
C+V
C+V
C
C+V

Số
trường
hợp
Nhiều
3
1
1
1
1
1
17
Rất nhiều
16


Dựa vào mức độ mô phỏng, mô hình phú dưỡng hồ thường được phân thành 02 loại là
mô hình đơn giản và mô hình phức tạp (bảng 1.2). Mô hình phú dưỡng đơn giản chủ
yếu là mô hình một chiều hoặc một lớp thường mô phỏng các quá trình cơ bản với
những thông số đặc trưng như trong nghiên cứu của Vollenweider, O’Melia, Larsen,
Lorenzen với chất dinh dưỡng thường được mô phỏng là phốt pho. Các mô hình phú
dưỡng đơn giản thường được sử dụng trong trường hợp nghèo dữ liệu nhằm tính toán
tải lượng dinh dưỡng, dự báo nồng độ chất dinh dưỡng. Mô hình phức tạp mô tả nhiều
biến trạng thái, tham số và chất dinh dưỡng hơn so với mô hình đơn giản như trong các
mô hình Thomann, Di Toro, Jørgensen, Cleaner, Salmo…Chúng thường là mô hình
động lực học kết hợp với quá trình tương tác sinh học, hóa học phức tạp giữa các biến
trạng thái. Vì vậy, để có những dự báo với độ chính xác cao trong thời đoạn ngắn thì
mô hình cần nhiều hơn số liệu đo đạc thực nghiệm trong khoảng thời gian dài. Các khu
vực hồ trên thế giới được lựa chọn để nghiên cứu xây dựng, phát triển và ứng dụng mô
hình phú dưỡng nhiều nhất nằm ở Bắc Mỹ (chủ yếu ở Mỹ và Canada), châu Á (Trung
Quốc, Nhật Bản, Thổ Nhĩ Kỳ và Nga), Tây Âu (Hà Lan, Estonia, Thụy Sĩ, Vương

quốc Anh và Đức) và Bắc Âu (Phần Lan).
Đối với các mô hình phú dưỡng ở vùng nước tĩnh thường được chia thành 03 loại: Mô
hình thực nghiệm, mô hình cân bằng vật chất và mô hình sinh thái.
1.2.1.1 Các mô hình thực nghiệm
Các mô hình thực nghiệm thường có phương pháp tiếp cận bằng đồ thị dựa trên các
phép đo và thống kê từ nhiều hồ và thường được chia thành hai loại là mô hình mô tả
đồ thị tải lượng phốt pho và mô tả mối tương quan giữa các thông số dinh dưỡng. Ví
dụ như mô hình phú dưỡng Vollenweider được hiệu chỉnh với bộ dữ liệu của hơn 200
hồ ở châu Mỹ, châu Âu và đã được áp dụng rộng rãi ở các hồ ôn đới ở Mỹ và nhiều
nơi khác trên thế giới để nhằm mục đích dự đoán sự phục hồi của hồ khi giảm tải
lượng phốt pho từ bên ngoài. Từ đó các giá trị giới hạn tải lượng chất dinh dưỡng ở
Mỹ và Canada được thiết lập từ mô hình này [25]. Ngoài ra việc giả thiết hồ ở chế độ
pha trộn hoàn toàn, trạng thái ổn định và sử dụng giá trị nồng độ trung bình mùa hay
trung bình năm và phốt pho được mặc định là yếu tố hạn chế sự phát triển thực vật nổi
[26], [27] nên việc đưa ra dự báo cũng như các biện pháp phù hợp và kịp thời để quản
lý chất lượng nước hồ bị hạn chế khi có sự thay đổi về điều kiện vật lý và sinh học.

12


Các mô hình thực
th nghiệm
m rrất dễ sử
ử dụng
ng và là m
mộtt công cụ
c áp dụ
ụng vớii các hồ
h ngoài
phạm

m vi nghiên ccứu mộtt cách nhanh chóng. Tuy nhiên nnếu dựaa trên các dữ liệu
li u chung
để dự
ự báo thì kkết quả dự báo sẽ cho sai ssố lớn.
n. Do đó, ngư
ngườii dùng có thể
th sử dụng
d
để dự
ự
báo mà không bi
biết rằng
ng kkết quả củaa họ
h có thểể có sai số đáng kể. Tuy nhiên mặcc dù có
mộtt số
s tiệnn ích song các mô hình thực
th nghiệệm có độ chính xác không cao để đưa ra
quyếết định
nh có giá tr
trị áp d
dụng vào thực
th tiễn nhưng chúng có thể
th cho độ chính xác cao
hơn nếu đượcc phát triển
tri n và áp ddụng
ng cho các quần thể hồ,
h hồ chứaa trong mộ
một khu vựcc
cụ thể.
th

1.2.1.2. Mô hình cân b
bằng
ng vật chất
Từ đầu
đ những
ng năm th
thập
p niên 1970,
70, các nhà khoa hhọc nhận
nh thấy rằằng
ng các mô hình cân
bằng
ng vật chất hhữu
u ích trong nâng cao hiểu
hi u bi
biết về những
ng vấn
v đề cơ bản
b củaa quá trình
phú dưỡng
dư
và có th
thể đưa ra nh
những
ng dự đoán tương ttự với
v đồ thị phốt
ph pho.. Những
Nh ng mô
hình này không mô ttả chi ti
tiết sự phân chia thành phần

ph n phốt pho trong cột
c t nước.
nư c. Thay
vào đó tậpp trung mô tả các ngu
nguồn
n đầuu vào, đđầu
u ra chính để
đ dự đoán xu th
thếế diễn biến
n
dài hhạn của hồ phản ứng
ng vvới những
ng thay đổi
đ đđối với tảii lượng
lư
chấtt dinh dưỡng.
dư ng.
Mộtt trong những
nh ng mô hình cân bbằng
ng vật
v chất ccủa phốtt pho được
đư biểểu thị trong hình 1.1.
Như trong hình 1.1a, đặcc trưng nnổ
ổi bật củaa mô hình cân bằng
b
vậật chất là mô ttả đơn
giản
n đầu
đ vào, đđầu ra củaa TP và tổn
n thất

th do lắắng là cách đơn gi
giản
n mô tả
t quá trình lắng
l ng
củaa TP [25].

Hình 1.1
1. Mô hình cân bằ
bằng phốtt pho
pho:: (a) mô tả
t quá trình lắng là tổ
ổn thất một chiều tớii
trầm
tr tích [25
25] và (b) bao ggồm
m quá trình trao đổi củaa tr
trầm
m tích với
v cột nướ
ớc [28]
Từ đó các
các mô hình cân b
bằng phốtt pho đã đư
được cải tiến
n bằng
b ng nhiều
nhi u cách như đối vớii
các hệ
h thống

ng pha trộn
tr n không đ
đều,
u, hồ
h có thể được
đư c chia thành hệ
h thố
ống đượcc kết
k hợp bởii
các hệ
h thống
ng pha trộn
tr n đđều. Điều
u này có thể
thể được thự
ực hiện
n theo chiều
chi u ngang hoặc
ho c
thẳng
ng đứng
đ
như Chapra ssử dụng
ng hai phương tr
trình cân bằằng khốii lượng
lư
để mô ttả hồ kếtt
13

nối với một đầm nước lớn [29]. Tương tự, O’Melia đã phân tầng cột nước theo nhiệt
độ từ bề mặt xuống tầng đáy hoặc được mô tả như một hệ thống pha trộn đều và sự
biến đổi giá trị biến trạng thái được điều khiển bởi các yếu tố khí tượng bao gồm bức
xạ mặt trời, nhiệt độ không khí xung quanh, nhiệt độ điểm sương, tốc độ gió và áp suất
khí quyển [30], [31]. Sự ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng, thủy văn cũng đã được
đề cập trong nghiên cứu của Ruley và Rusch [32]. Thêm vào đó, Chapra và Canale đã
mô tả hồ như hệ thống hai lớp gồm cột nước và trầm tích (hình 1.1b) [28]. Cùng với
việc lắng phốt pho, mô hình mô phỏng thêm sự khuếch tán của trầm tích đáy vào cột
nước. Cơ chế này rất quan trọng bởi vì sự khuếch tán trầm tích có thể làm chậm sự
phục hồi của hồ sau khi giảm tải lượng phốt pho từ các nguồn bên ngoài.
Ngoài ra nghiên cứu của Lorenzen phản ánh chính xác hơn ảnh hưởng của quá trình
lắng và tầm quan trọng của phốt pho khuếch tán từ trầm tích vào cột nước, đặc biệt đối
với hồ nông [33]. Các quá trình phốt pho từ trầm tích đi vào cột nước bao gồm (1)
khuyếch tán thụ động và truyền tải, (2) quá trình khuyếch tán bởi gió và truyền tải, (3)
dòng chảy và nhiễu động sinh học do khuyếch tán và truyền tải, (4) khoáng hóa, thấm
bề mặt và các quá trình sinh học trong cột nước, (5) khoáng hoá, thấm bề mặt, kết
tủa/lắng đọng trong lớp trầm tích, (6) sự khuếch tán do sự thay đổi oxy hóa khử ở lớp
mặt nước [34], [35]. Tầm quan trọng của bùn lơ lửng làm thực vật nổi phát triển do
tăng ảnh hưởng của nồng độ phốt pho [36], [37]. Cho dù biết chưa nhiều về ảnh hưởng
của vi khuẩn hoạt động đối với sự khuếch tán phốt pho nhưng cũng đã có một số
nghiên cứu định lượng sự đóng góp của các vi khuẩn đáy [34], [38], [39].
Tuy vậy, các mô hình được mô tả ở trên khó có thể là một công cụ dự đoán tốt trong
trường hợp cần số liệu chính xác, nhưng là công cụ hỗ trợ trong trường hợp nghèo số
liệu. Những hạn chế mà các mô hình trên gặp phải là chúng không dự báo được nồng
độ phốt pho trong nhiều loại hồ khác nhau bởi chúng là những mô hình dữ liệu chưa
có đầy đủ cơ sở khoa học, chỉ mới tập trung vào chất dinh dưỡng hạn chế sự phát triển
của thực vật nổi là phốt pho mà chưa quan tâm đến các chất dinh dưỡng và các thành
phần sinh thái khác trong hồ. Ngoài ra, các mô hình dạng này cũng chưa đề cập đến
những quá trình phức tạp diễn ra trong hồ như tương tác hóa học, sinh học và các yếu
tố ảnh hưởng đến sinh khối của thực vật nổi như nhiệt độ, ánh sáng, nồng độ oxy hòa

tan hay thành phần trong tải lượng các chất dinh dưỡng.

14