Nghiên cứu tổng quan về các mô hình chất lượng nước mặt

Trao đổi, Tin tức & Sự kiện

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÁC MƠ HÌNH
CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT
Nguyễn Thị Thủy1; Nguyễn Thành Luân2
1
Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội
2
Phịng Thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia về Động lực học Sơng biển

Tóm tắt
Mơ hình chất lượng nước mặt có thể xem là cơng cụ hữu ích để mơ phỏng và dự
báo mức độ, sự phân bố và sự nguy hại của các chất ô nhiễm trong môi trường nước.
Kết quả từ mơ hình theo các kịch bản ơ nhiễm khác nhau là những cơ sở khoa học
trong việc đánh giá tác động mơi trường, từ đó có thể đưa ra những giải pháp cũng
như hỗ trợ các cơ quan quản lý môi trường để đưa ra các quyết định đúng đắn, hợp
lý. Kết quả mơ hình ảnh hưởng đến tính hợp lý, tính khoa học của các dự án xây dựng
và của các biện pháp kiểm sốt ơ nhiễm của chính quyền. Bài báo này xem xét sự
phát triển, phân loại và sự chuẩn hóa của mơ hình chất lượng nước mặt. Kết quả của
nghiên cứu có thể giúp các cơ quan quản lý mơi trường đảm bảo tính nhất qn trong
việc lựa chọn áp dụng mơ hình chất lượng nước phù hợp cho các mục đích cụ thể.
Từ khóa: Mơ hình tốn, chất lượng nước, phân loại mơ hình, chuẩn hóa mơ hình.
Abstract
Surface water quality models can be seen as a useful tool to simulate and
forecast the levels, distributions, and risks of chemical pollutants in water
environment. The modelling results under different pollution scenarios are scientific
bases in environmental impact assessment and may provide solutions as well as
supports for environmental management agencies to make right decisions. The
modelling results will impact the reasonability and scientificity of the construction
projects and pollution control measures of the government. This study reviewed the
development, classification and standardization of surface water quality models.

The research results can help the environmental management agencies ensure the
consistency in application of water quality models for the specified purposes.
Keywords: Numerical modeling, water quality, models classification, model
standardization
1. Đặt vấn đề
nghiệp, sinh hoạt, chăn nuôi.
Trong quá khứ, các nhà lý chất
Chất lượng nước là một chủ đề
nghiên cứu rộng và rất phức tạp. Thông lượng nước chủ yếu dựa vào các định
thường để định nghĩa khái niệm chất hướng chính sách và ít dựa trên các căn
lượng nước thường đề cập tới một vài cứ khoa học, dẫn đến yêu cầu khách
thông số như vật lý, hóa học và sinh quan cần phải xây dựng các mơ hình chất
học. Sự suy giảm chất lượng nước mặt, lượng nước để đưa ra được các phân tích,
nước dưới đất và nước vùng cửa sông, đánh giá khoa học, chính xác. Hầu hết
ven biển chủ yếu bị ảnh hưởng bởi cấu các mơ hình đều nhằm giải quyết các vấn
tạo địa chất, thạch học và các phản ứng đề chất lượng nước trong điều kiện kinh
hóa học diễn ra trong phạm vi lưu vực tế xã hội và môi trường cụ thể. Các mô
hoặc tầng chứa nước. Thêm vào đó, chất hình chất lượng nước có thể được phân
lượng nước cũng bị ảnh hưởng bởi các loại theo: 1) Dạng tiếp cận (dựa trên nền
hoạt động nhân sinh do việc đưa vào tảng vật lý, khái niệm hoặc thực nghiệm),
môi trường nước các nguồn thải công 2) Loại chất ơ nhiễm (chất dinh dưỡng,
Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 16 - năm 2017

105


Trao đổi, Tin tức & Sự kiện

trầm tích, muối), 3) Khu vực áp dụng (lưu
vực, nước dưới đất, hệ thống sơng, nước

ven biển, khu vực hịa trộn), 4) Bản chất
(xác định hoặc ngẫu nhiên), 5) Trạng thái
phân tích (trạng thái bền hoặc mơ phỏng
động lực), 6) Phân tích khơng gian (tập
trung, phân bố), 7) Chiều tính tốn (mơ
hình 1 chiều - 1D, 2D, 3D), 8) u cầu
dữ liệu (mơ hình với cơ sở dữ liệu lớn,
các mơ hình với u cầu cơ sở dữ liệu tối
thiểu (minimum requirements models MIR) [5]. Khó có thể tổng quan hết được
tồn bộ các mơ hình chất lượng nước
dựa theo các tiêu chí trên. Do đó, mục
đích của bài báo này nhằm tổng quan các
mơ hình chất lượng nước điển hình đang
được sử dụng rộng rãi và xem xét sự phát
triển của chúng theo ba mức độ: phạm vi
áp dụng, mức độ chính xác và sự chuẩn
hóa cũng như phương pháp được sử dụng
trong các mơ hình khác nhau. Bài báo
cho phép các nhà nghiên cứu, cơ quan
quản lý môi trường định hướng, lựa chọn
mơ hình chất lượng nước phù hợp, đảm
bảo tính nhất quán trong từng trường hợp
cụ thể.
2. Sự phát triển của các mơ hình
chất lượng nước mặt
Các mơ hình chất lượng nước đã trải
qua một quá trình phát triển lâu dài kể
từ khi Streeter và Phelps xây dựng mơ
hình chất lượng nước đầu tiên (mơ hình
S - P) để kiểm sốt ô nhiễm nước sông ở

bang Ohio của Mỹ [3]. Các mơ hình chất
lượng nước có bước tiến lớn từ việc chỉ
mô phỏng 1 yếu tố chất lượng nước đến
nhiều yếu tố, từ mơ hình trạng thái bền
tới mơ hình động lực, từ mơ hình nguồn
điểm đến mơ hình kết hợp giữa nguồn
điểm và nguồn diện và từ mơ hình khơng
chiều tới mơ hình một chiều, hai chiều,
và ba chiều. Hơn 100 mơ hình chất lượng
nước đã được phát triển cho tới ngày nay.
Tuy nhiên, mỗi mơ hình chất lượng nước
lại có các điều kiện áp dụng riêng. Nhìn
chung, các mơ hình chất lượng nước đã
trải qua ba giai đoạn phát triển quan trọng
từ năm 1925 đến nay.
106

2.1. Giai đoạn đầu tiên (1925 - 1965)
Chất lượng nước nhận được nhiều sự
quan tâm của cộng đồng ở giai đoạn này.
Các mơ hình chất lượng nước tập trung
vào sự tương tác giữa các thành phần
chất lượng khác nhau trong các hệ thống
sông khi bị tác động bởi sự ô nhiễm từ các
nguồn thải điểm từ cơng nghiệp và dân
sinh [1]. Trong q trình dịch chuyển thủy
động lực học, nhu cầu oxy của trầm tích,
sự quang hợp và hơ hấp của tảo được xem
như các số liệu đầu vào của mơ hình, trong
khi các nguồn ơ nhiễm diện chỉ đóng vai

trị như tải lượng nền.
Vào thời kỳ đầu của giai đoạn này,
mơ hình quan hệ BOD - DO dạng tuyến
tính đơn giản được phát triển để dự báo
chất lượng nước đồng thời các mô hình
một chiều bắt đầu được sử dụng để giải
quyết các vấn đề ô nhiễm trên các sông
và cửa sông. Sau đó, hầu hết các hướng
nghiên cứu đã thay đổi và đi xa hơn so
với mơ hình ban đầu của Streeter - Phelps
(các mơ hình S - P). Ví dụ, Thomas Jr cho
rằng BOD có thể bị giảm đi mà khơng có
sự tiêu thụ oxy do sự lắng đọng và keo
tụ của trầm tích, tốc độ giảm BOD tỉ lệ
với hàm lượng BOD cịn lại; do đó, hệ
số keo tụ được đưa thêm vào mơ hình
trạng thái bền S - P để phân biệt hai cách
thức suy giảm hàm lượng BOD kể trên
[6]. O’Connor phân chia thông số BOD
thành BOD carbon hóa và BOD nitrit
hóa, đồng thời bổ sung các ảnh hưởng
của hiện tượng phân tán vào phương
trình của Thomas [4]. Dobbins - Camp
cũng bổ sung hai hệ số vào phương trình
Thomas, bao gồm tốc độ thay đổi BOD
do sự giải phóng của trầm tích và dịng
chảy bề mặt và tốc độ thay đổi DO do sự
quang hợp và hô hấp của tảo.
2.2. Giai đoạn phát triển (1965 - 1995)
Từ năm 1965 đến 1970, các mơ hình

chất lượng nước được phân chia thành 6
dạng và phát triển nhanh chóng dựa trên
các nghiên cứu sâu hơn về các hệ số đa
chiều trong các mơ hình BOD - DO. Mơ
hình một chiều được cải tiến thành mơ

Tạp chí Khoa học Tài ngun và Môi trường - Số 16 - năm 2017


Trao đổi, Tin tức & Sự kiện

hình hai chiều để mơ phỏng chất lượng
nước hồ và vịnh. Các mơ hình phi tuyến
được phát triển trong suốt thời kỳ từ năm
1970 tới 1975. Những mơ hình này gồm
chu trình N và P, hệ thực vật phù du và
động vật nổi, tập trung vào mối liên hệ
giữa tốc độ phát triển của sinh vật và các
chất dinh dưỡng, ánh sáng mặt trời và
nhiệt độ, thực vật phù du và tốc độ phát
triển của động vật nổi [7]. Phương pháp
sai phân hữu hạn và phương pháp phần
tử hữu hạn được áp dụng cho các mơ
hình các mơ hình một hoặc hai chiều do
các mối liên hệ phi tuyến trong mơ hình.
Sau năm 1975, số lượng các biến số
ổn định trong các mơ hình tăng lên đáng
kể, các mơ hình ba chiều cũng được phát
triển trong giai đoạn này, mơ hình thủy
động lực học và ảnh hưởng của trầm tích

được đưa vào mơ hình chất lượng nước.
Trong khi đó, các mơ hình chất lượng
nước được kết hợp với các mơ hình lưu
vực sơng coi đầu vào nguồn ô nhiễm diện
như là một biến của mơ hình. Do đó các
chính sách về quản lý chất lượng nước
đã thay đổi đáng kể khi các mơ hình tập
trung vào mô phỏng các điều kiện ràng
buộc và xem xét các nguồn ô nhiễm diện
theo lưu vực sông. Các mơ hình chất
lượng nước điển hình gồm có các mơ
hình QUAL, mơ hình MIKE11 và các
mơ hình WASP đã được phát triển và
ứng dụng ở giai đoạn này. Bên cạnh đó,
mơ hình OTIS một chiều cũng được phát
triển bởi Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ
(USGS) để mô phỏng chất lượng nước.
2.3. Giai đoạn nghiên cứu chuyên
sâu (sau năm 1995)
Các nguồn ơ nhiễm diện giảm đi do
sự kiểm sốt chặt chẽ ở các quốc gia phát
triển. Tuy nhiên, sự ảnh hưởng tới chất
lượng nguồn nước của các hợp chất độc
hại bị tích tụ trong khí quyển như các hợp
chất hữu cơ, kim loại nặng, và các hợp
chất của Nito lại ngày một tăng. Mặc dù
các chất dinh dưỡng và các chất hóa học
độc hại lắng đọng lại trên bề mặt nước đã
được tính đến trong phạm vi mơ hình, tuy

nhiên các chất này không chỉ lắng đọng
trực tiếp trên mặt nước mà cịn có thể bị
lắng đọng lại trên bề mặt lưu vực và được
vận chuyển vào sông tạo ra một nguồn
chất gây ơ nhiễm nghiêm trọng. Từ khía
cạnh quản lý, mơ hình ơ nhiễm khơng
khí đã được phát triển để đưa các diễn
biến này vào trong mơ hình, cho thấy sự
lắng đọng các chất thải độc hại trong khí
quyển tĩnh hoặc động có thể ảnh hưởng
tới chất lượng nước tại lưu vực [8]. Do
đó, ở thời kỳ này, một số các mơ hình ơ
nhiễm khơng khí được tích hợp vào các
mơ hình chất lượng nước để đánh giá
trực tiếp sự đóng góp của hiện tượng lắng
đọng chất ơ nhiễm trong khí quyển [10].
Ngoại trừ các mơ hình kinh điển như
QUAL 2K, WASP 6, QUASAR, SWAT
và MIKE 21 và MIKE 3, các mơ hình chất
lượng nước khác cũng được phát triển để
mô phỏng các điều kiện môi trường nước
trong các trường hợp phức tạp. Ví dụ,
Whitehead và cộng sự đã phát triển mơ
hình Nito tích hợp đa phân bố (INCA)
dựa trên các ảnh hưởng của khí quyển với
số liệu đầu vào là Nito đất, sử dụng đất,
và thủy văn. Gần đây, Fan và cộng sự đã
tích hợp mơ hình chất lượng nước QUAL
2K và mơ hình HEC-RAS để mơ phỏng
tác động của thủy triều ảnh hưởng lên sự

phân bố chất lượng nguồn nước [2]. Đối
với sự tích hợp các nguồn ô nhiễm phân
tán và tập trung, Cơ quan Bảo vệ Mơi
trường Hoa Kỳ (USEPA) đã phát triển hệ
thống phân tích môi trường đa mục tiêu
(BASINS), đem lại khả năng đánh giá số
lượng lớn các nguồn ô nhiễm diện và điểm
một cách nhanh chóng. Trong đó, USEPA
cũng đề xuất mơ hình EFDC nên được sử
dụng như một công cụ hữu hiệu nhất cho
quản lý chất lượng nước.
Trong số các mơ hình chất lượng nước
mặt, các mơ hình mơ hình Streeter - Phelps,
QUASAR, QUAL, WASP, CE-QUAL-W
2, BASINS, MIKE, EFDC đã được áp dụng
rộng rãi trên phạm vi toàn cầu. Gần đây,
Kannel và cộng sự đã khẳng định, các mơ
hình phổ biến như QUAL2EU, WASP7, và

Tạp chí Khoa học Tài ngun và Mơi trường - Số 16 - năm 2017

107


Trao đổi, Tin tức & Sự kiện

QUASAR là phù hợp nhất để mơ phỏng
oxy hịa tan dọc các sơng, suối [10] Nhìn
chung, tại các quốc gia phát triển, đặc biệt
Hoa Kỳ và các nước châu Âu đã phát triển

và cải tiến mơ hình chất lượng nước mặt tốt
hơn so với các nước khác. Một vài mơ hình
chất lượng nước mặt cũng được thiết lập tại
một số trường đại học và các viện nghiên
cứu ở Trung Quốc trong các năm qua, tuy
nhiên các mơ hình này hiện vẫn chưa được
sử dụng rộng rãi so với các mơ hình MIKE,
EFDC và WASP [1].
3. Phân loại mơ hình chất lượng nước
Các mơ hình chất lượng nước được
phân loại dựa trên các loại chất ô nhiễm

khác nhau, bản chất của nguồn ô nhiễm
(tập trung hoặc phân tán), và đặc điểm của
sơng như hình thái, thủy lực và sinh thái
học. Các mơ hình này dự đốn các thay đổi
trong nồng độ chất ơ nhiễm của một đoạn
sơng đã biết, kết hợp với khả năng hịa trộn
của sơng do các phản ứng vật lý, hóa học
và sinh học xảy ra trong cùng hệ thống.
Tùy thuộc vào mục đích, các mơ hình chất
lượng nước nhìn chung có thể được phân
loại thành các mơ hình mơ phỏng (để dự
đốn các thay đổi trong chất lượng nước do
ơ nhiễm) và các mơ hình tối ưu (để phân bổ
tối ưu các nguồn tài ngun) Hình 1.

Hình 1. Các dạng mơ hình chất lượng nước

Các mơ hình tối ưu có thể được

phân loại chi tiết hơn thành mơ hình quy
hoạch tuyến tính, mơ hình quy hoạch phi
tuyến và mơ hình quy hoạch động. Mơ
hình vật lý được thiết lập để thu được
các kết quả liên quan đến hệ thực theo
một tỷ lệ nhất định, trong khi mơ hình
tốn dựa trên các phương trình tốn học
để mơ phỏng chất lượng nước.
Các mơ hình tốn cũng có thể được
phân loại chi tiết hơn dựa trên cơ sở mơ
108

tả các q trình mơ phỏng theo phương
pháp thống kê hoặc kinh nghiệm hoặc cơ
học; theo loại dữ liệu gồm hồi quy và ngẫu
nhiên; phân loại theo giải pháp mơ hình
gồm mơ hình số học và mơ hình phân tích;
phân loai theo mức độ biểu diễn chia làm
mơ hình phân bố và mơ hình tập trung.
4. Chuẩn hóa các mơ hình chất
lượng nước mặt
Để sử dụng các mơ hình mơ phỏng
và dự báo chất lượng nước trong các

Tạp chí Khoa học Tài ngun và Mơi trường - Số 16 - năm 2017


Trao đổi, Tin tức & Sự kiện

báo cáo quan trọng (ví dụ, báo cáo đánh

giá tác động mơi trường nước) cần đảm
bảo chúng đã được chuẩn hóa, sẵn có và
đáng tin cậy. Do vậy, các cơ quan quản
lý môi trường cần lập danh sách các mơ
hình chất lượng nước để đảm bảo tính
nhất qn. Các mơ hình này có thể được
phổ biến, điều chỉnh và chuẩn hóa thơng
qua các chỉ số đánh giá và hệ thống tiêu
chuẩn quốc gia, hoặc bằng cách xuất bản
các bài báo, tổ chức các hội thảo, hoặc
trao đổi làm việc cộng đồng địa phương.
Ví dụ, USEPA giữ vai trò tổ chức các hội
thảo khoa học thường niên để xác nhận
và cập nhật các mơ hình quản lý [9].
Hội đồng châu Âu tổ chức các hội thảo
thường niên để đánh giá tính nhất qn
của các mơ hình chất lượng nước. Ngồi
ra, các mơ hình được chuẩn hóa có thể
được tải miễn phí và có mã nguồn mở.
Các viện nghiên cứu chun sâu về
các mơ hình chất lượng nước đã và đang
được xây dựng để tiến hành nhiều nghiên
cứu để điều chỉnh và chuẩn hóa các mơ
hình chất lượng nước ở một số khu vực
hoặc quốc gia trên thế giới. Các nhà khoa
học đã đề xuất một số mơ hình dự báo
dựa trên các u cầu quản lý môi trường.
So với các quốc gia khác, hầu hết các mơ
hình mơi trường nước đều được chuẩn
hóa ở Mỹ. Các trung tâm nghiên cứu về

nước trực thuộc USEPA tập trung vào các
nghiên cứu liên quan tới công tác quản lý
và bảo vệ tài nguyên nước, các nguyên lý
và các phương pháp được áp dụng trong
thực tiễn, các mơ hình tốn, các cơng cụ
tính tốn, và cơ sở dữ liệu. Trong khi đó,
USEPA cũng cung cấp cơ sở lý thuyết,
quy trình áp dụng mơ hình cho một số
dự án cụ thể và kèm theo những lưu ý
trong quá trình áp dụng cho các đơn vị có
nhu cầu. Bên cạnh đó, q trình này cũng
ln được cải tiến kèm theo việc liên tục
đánh giá mức độ tin cậy của các mô hình.
Bên cạnh đó, USEPA cũng cho phép tập
đồn Tetra Tech Inc thực hiện dự án đánh
giá khả năng mô phỏng, tính hiệu dụng
và phạm vi sử dụng của hơn 60 mơ hình.
Đến năm 2009, USEPA đã xuất bản được

các hướng dẫn cải tiến, đánh giá và ứng
dụng các mơ hình môi trường. Bên cạnh
bộ tài liệu hướng dẫn, hội đồng kiểm
sốt mơ hình hóa mơi trường của USEPA
cũng cung cấp các nền tảng mơ hình trên
website. Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ,
cơ quan quản lý tình trạng khẩn cấp liên
bang và công binh lục quân Hoa Kỳ cũng
phát triển các mơ hình chất lượng nước
cùng các hướng dẫn chi tiết.
Tương tự, Viện nghiên cứu chuyên

sâu về sự phát triển và đánh giá mơ hình
được thành lập bởi Cơ quan mơi trường
Liên hiệp Anh (UKEA) đã giúp UKEA
hồn thiện khung cơ chế đánh giá tác
động của sự ô nhiễm đất tới nước dưới
đất và nước mặt, từ đó đề xuất các giải
pháp phù hợp, cũng như kiến nghị các
phương pháp và các mơ hình dự báo chất
lượng nước mặt. Nhóm thanh tra ô nhiễm
của Her Majesty ở Anh (HerMajesty’s
Inspectorate of Pollution - HMIP) đã đề
xuất 54 mơ hình chất lượng nước mặt
và các điều kiện áp dụng cho sự đánh
giá ô nhiễm sông, hồ, cửa sông và biển.
Aspinwall và Company đã đề xuất 11 mơ
hình áp dụng cho các điều kiện khác nhau
bao gồm 1 mơ hình một chiều, 4 mơ hình
hai chiều, và 6 mơ hình ba chiều. Ở Hàn
Quốc, Bộ Môi trường đã đưa ra một kế
hoạch tổng thể cho công tác quản lý môi
trường nước vào năm 2006, Bộ này đưa ra
6 mơ hình dự báo chất lượng nước, trong
đó mơ hình QUAL2E và EFDC được
sử dụng rộng rãi. Các mơ hình MIKE
và TUFLOW cũng được ứng dụng rộng
rãi để dự báo chất lượng nước bề mặt ở
Australia. Bộ mơ hình MIKE được ứng
dụng ở Đan Mạch để giải quyết các vấn
đề về sinh thái, và hóa học mơi trường.
Ở Trung Quốc, mơ hình chất lượng nước

DELFT 3D được sử dụng để mô phỏng
chất lượng môi trường nước ở Hongkong
từ những năm 1970 và hiện đã trở thành
mơ hình chuẩn của Cơ quan mơi trường
Hồng Kơng. Cục bảo vệ môi trường Đài
Loan đã ban hành văn bản hướng dẫn
các phương pháp đánh giá tác động môi
trường và đưa ra danh sách các mơ hình

Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 16 - năm 2017

109


Trao đổi, Tin tức & Sự kiện

chất lượng nước với những điều kiện áp
dụng khác nhau. Tuy nhiên, hầu hết các
mơ hình như các mơ hình MIKE, mơ hình
EFDC, và mơ hình Deft 3D được áp dụng
để mơ phỏng chất lượng môi trường nước
ở các viện nghiên cứu môi trường. Hiện
nay, có các báo cáo đã chỉ ra sự khác biệt
giữa các kết quả giữa các mơ hình khác
nhau, cũng như tính phù hợp và độ nhạy
thơng số của những mơ hình này.
Vai trị của việc chuẩn hóa các mơ
hình chất lượng nước mặt là:
(1) Nghiên cứu các mơ hình chất
lượng nước đang được sử dụng để đánh

giá hiện trạng mơi trường. Hiểu rõ các
cơ chế của mơ hình, các điều kiện và
phạm vi áp dụng phù hợp, các thông số
mơ hình, tính ổn định, và các khác biệt
trong kết quả mơ hình.
(2) Xây dựng cơ sở dữ liệu và các
kịch bản cho các mơ hình thơng qua thực
nghiệm, đo đạc và hoạt động quan trắc.
(3) So sánh kết quả trong các mơ
hình khác nhau nhằm giải quyết, phân
tích các dữ liệu đầu vào và đầu ra, các
phương trình, các ngun lý và các
phương pháp tính tốn của các mơ hình
dựa trên việc nghiên cứu một số kịch
bản sẵn có.
(4) Cung cấp các chỉ số sàng lọc và
các phương pháp thẩm định cho các mơ
hình. Thiết lập hệ thống thẩm định cho
mơ hình và chuẩn hóa các hình thức dữ
liệu đầu vào và đầu ra. Chuẩn hóa một
số các mơ hình và lập danh sách các
mơ hình đã chuẩn hóa từ đó giải quyết
các bài tốn quản lý mơi trường tại mỗi
quốc gia.
(5) Đưa ra các phương pháp hiệu
chỉnh và kiểm định, quản lý truy cập các
mã nguồn, đề xuất ý nghĩa của các thơng
số trong mơ hình và đề nghị các khoảng
giá trị cho các thông số theo từng vùng.
(6) Cung cấp giao diện sử dụng mơ

hình bằng ngơn ngữ quen thuộc và xuất
bản sổ tay sử dụng mô hình gồm dữ liệu
đầu vào mơ hình (truy cập dữ liệu, xử lý
110

số liệu), cấu trúc mơ hình, hiệu chỉnh mơ
hình, kiểm định mơ hình, đánh giá các
thơng số và kết quả đầu ra của mơ hình.
5. Xu hướng phát triển mơ hình
chất lượng nước
Cùng với sự phát triển của các mơ
hình chất lượng nước, cơng tác quản lý
chất lượng nước cũng sẽ ngày một được
cải thiện, tuy nhiên vẫn cịn nhiều thách
thức. Các mơ hình ln cần bộ số liệu
đầu vào lớn và ổn định, các số liệu cần
đảm bảo độ chính xác, tính đại diện, và
có tính hệ thống. Các mơ hình khơng mơ
phỏng cơ chế ơ nhiễm và cũng không
chỉ ra sự xâm nhập của các chất ơ nhiễm
trong q trình vận động, do đó có thể
có khoảng cách lớn giữa thực tế và kết
quả mô phỏng. Nếu các thơng số được
lựa chọn khơng chính xác thì kết quả
của mơ hình sẽ khơng chính xác.
Theo như những hiểu biết và kinh
nghiệm thu được từ việc áp dụng mơ hình
chất lượng nước cho các trường hợp khác
nhau cũng như các vấn đề đã phải giải
quyết, xu hướng phát triển hiện tại của

các mơ hình chất lượng nước như sau:
Các mơ hình kết hợp
Cùng với sự phát triển của các mơ
hình chất lượng nước, ngày càng nhiều
các yếu tố được xem xét đưa vào mơ
hình. Các mơ hình độc lập không thể đủ
sức mô phỏng tất cả các yếu tố, vì vậy
cần thiết phải có các mơ hình kết hợp.
Một mơ hình kết hợp có thể bao gồm hai
hoặc ba mơ hình độc lập để mơ phỏng
các yếu tố khác nhau. Ví dụ, đã kết hợp
ba mơ hình: một mơ hình thủy động lực,
một mơ hình trầm tích, và mơ hình địa
sinh hóa để thu được kết quả mơ phỏng
phù hợp nhất. Có rất nhiều khu vực ven
biển và cửa sơng đã được thử nghiệm sử
dụng mơ hình phức hợp để kiểm nghiệm
các kịch bản sẵn có. Một mơ hình kết
hợp thường được sử dụng để giúp kiểm
nghiệm lại các giả thiết tiềm năng và
trạng thái tương lai thực của khu vực cửa
sông và phản ánh hiện trạng ô nhiễm và

Tạp chí Khoa học Tài ngun và Mơi trường - Số 16 - năm 2017


Trao đổi, Tin tức & Sự kiện

các biến đổi về môi trường liên quan đến
việc cải thiện các biện pháp xử lý chất

thải, thay đổi dòng chảy và các thay đổi
khác trong lưu vực sơng đó.
Áp dụng các phương pháp mạng trí
tuệ nhân tạo
Các mơ hình quen thuộc hiện nay
như SWAT, MIKE 11, QUAL-2E là
những mơ hình cơ học, chúng bao gồm
một loạt các quá trình sinh học, vật lý
và hóa học đang tồn tại, tuy nhiên lại
khơng thể kiểm sốt được các quy luật
riêng của chính mơ hình đó, và vì vấn
đề này, các mơ hình khơng - cơ học cần
được phát triển. Các mơ hình khơng - cơ
học có thể vận hành theo quy luật của
mơi trường nước sử dụng các dữ liệu từ
các quan sát thực nghiệm, trong khi việc
đánh giá độ chính xác từ mơ hình có thể
dùng các mơ hình cơ học. Dữ liệu thực
nghiệm quan sát được có thể được phát
triển bởi các mơ hình ngẫu nhiên để thu
được các thơng số hệ thống và các thơng
số mơi trường cho các mơ hình cơ học,
vì vậy các mơ hình kết hợp sẽ trở nên
đáng tin cậy và chính xác hơn.
Ngồi ra, các mơ hình có thể kết
hợp với các thuật tốn tin học như mạng
lưới trung gian, thuật toán di truyền
và luận cứ fuzzy và các thuật toán cơ
vector hỗ trợ (support vector machine).
Để đạt hiệu quả hơn, cần nhiều hơn các

mơ hình được phát triển kết hợp với các
thuật toán tin học trong tương lai.
Tích hợp hệ thống
Tích hợp viễn thám, thơng tin địa lý
và các hệ thống định vị toàn cầu (Remote
sensing - RS, Geographic Information
System - GIS và Global Position System
- GPS) cịn gọi là 3S vào trong mơ hình.
Tuy nhiên, sử dụng 3S yêu cầu cơ sở dữ
liệu lớn, hệ thống lưu trữ, quản lý, sắp
xếp và khả năng khôi phục dữ liệu tốt
mới có thể giải quyết các vấn đề của các
mơ hình chất lượng nước truyền thống
trong q trình thu thập và xử lý khối
lượng đồ sộ các cơ sở dữ liệu. RS có thể
được tích hợp với các thơng tin về đất,

thực vật, khí tượng và nước để xác định
các đặc trưng dịng chảy và các thơng
số mơ hình để thu được các kết quả có ý
nghĩa. GIS có vai trị lớn trong việc phân
tích khơng gian và cho phép mô phỏng
lại các thông tin môi trường nước từ một
bảng dữ liệu đơn dưới dạng một đồ thị
trực quan và ảnh động. GPS có khả năng
xác định được thời gian và tốc độ chính
xác. Do đó, một số mơ hình đã kết hợp
với GIS như bộ MIKE, SWAT và HSPE.
Như vậy, sự kết hợp của mơ hình toán
truyền thống với 3S sẽ là xu hướng quan

trọng trong sự phát triển của mơ hình
chất lượng nước trong tương lai.
Cuối cùng, cần nhấn mạnh rằng,
xu hướng phát triển chung của mơ hình
chất lượng nước là mơ phỏng trong các
lưu vực tích hợp. Với các mơ hình dạng
này, các q trình mơ phỏng chất lượng
nước bao gồm một mođun của mơ hình
tổng thể gồm các mođun mơ phỏng các
q trình liên quan, mà hầu hết là chất
lượng nước. Các kỹ thuật và công cụ
thông tin địa lý hiện đại được tích hợp
để tăng tính khả thi của mơ hình bằng
cách thực tế hóa các q trình mơ phỏng
theo khơng gian và thời gian.
6. Kết luận
Mơ hình chất lượng nước là các
phần mềm, cơng cụ tính tốn các chỉ tiêu
phản ánh chất lượng nước. Trên cơ sở
tổng quát về lịch sử phát triển mơ hình,
phân loại dạng mơ hình chất lượng nước,
đánh giá xu thế phát triển mơ hình chất
lượng nước, bài báo đã chỉ ra một bức
tranh chung về mô hình chất lượng nước.
Tuỳ thuộc đối tượng nghiên cứu, cách
tiếp cận, các giả thiết khi thiết lập, các
thông số và mối quan hệ giữa các quá
trình khi thiết lập phương trình và các
phương pháp số được áp dụng để tính
tốn mà mỗi mơ hình có những thế mạnh

và hạn chế khác nhau. Chính vì vậy,
cho đến nay có rất nhiều mơ hình chất
lượng nước đã và đang tiếp tục phát triển.
Những yêu cầu về cơ sở dữ liệu quan trắc
thực tế, cũng như sự phức tạp của các quá
trình vật lý, hoá học, sinh học của nguồn
(xem tiếp trang 90)
111

Tạp chí Khoa học Tài ngun và Mơi trường - Số 16 - năm 2017