- ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH THỦY LỰC VÀ DIỄN BIẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC TRÊN TUYẾN KÊNH XÁNG, THÀNH PHỐ SÓC TRĂNG Trương Thị Yến Nhi 1 , Văn Phạm Đăng Trí 1 , Nguyễn Thụy Kiều Diễm 2 và Nguyễn Hiếu Trung 1. - Mô hình thủy lực một chiều, chất lượng nước, và HEC- RAS. - Mô hình thủy lực một chiều (HEC-RAS) được sử dụng để mô phỏng đặc tính thủy lực (lưu lượng và mực nước) và chất lượng nước trên tuyến kênh Xáng ở thành phố Sóc Trăng. - Sau khi mô hình được hiệu chỉnh với hệ số Manning’s n = 0,03, mực nước được mô phỏng gần bằng mực nước thực đo (hệ số tương quan R 2 >. - Để hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước (hệ số khuyến tán D = 400 m 2 s -1 và điều kiện ban đầu của các thông số chất lượng nước được gán cho COD, BOD, tổng đạm và tổng lân tương ứng là 13 mg/l, 10,5 mg/l, 3,8 mg/l và 3 mg/l), sai số giữa các giá trị thực đo và mô phỏng thấp hơn 20%. - Bên cạnh đó, chất lượng nước trên hệ thống kênh Xáng cũng được mô phỏng dựa trên các kịch bản thay đổi về nồng độ chất thải và lượng nước từ thượng nguồn thay đổi. - Cuối cùng, chất lượng nước mô phỏng được so sánh với tiêu chuẩn chất lượng nước mặt ở Việt Nam (QCVN 08:2008, cột A2, B1. - đây là cơ sở để đánh giá chất lượng nước mặt mô phỏng trong đề tài.. - chất lượng. - trong khi đó, đối với các khu đô thị và khu công nghiệp, chất thải rắn là nguồn chủ yếu gây ảnh hưởng đến chất lượng nước tại các nhánh kênh / rạch nội thị [7].. - Trong những năm gần đây, với sự phát triển của công nghệ thông tin cũng như khoa học kỹ thuật, các mô hình toán ứng dụng trong lĩnh vực mô phỏng đặc tính thủy lực và chất lượng nước ngày càng phổ biến và phát triển như: HEC- RAS, MIKE, VRSAP, ISIS [10, 11]. - và, (ii) xem xét động thái chất lượng nước theo thời gian trong điều kiện hiện tại và dự báo lan truyền ô nhiễm theo các kịch bản về phát triển Thành phố cũng như sự thay đổi của dòng chảy từ thượng nguồn.. - 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mô hình thủy lực HEC-RAS. - Q: Lưu lượng (m 3 s -1. - Hình 1: Lược đồ sai phân mô hình HEC-RAS. - Công thức tính hệ số nhám thủy lực. - Hệ số nhám thủy lực theo công thức của Manning (3) [2] được sử dụng vào việc hiệu (1). - chỉnh kết quả mô phỏng đặc tính thủy lực của dòng chảy.. - n: Hệ số nhám thủy lực (sm -1/3. - 2.2 Mô hình chất lượng nước. - Những thông số chất lượng nước bao gồm những hằng số tỷ lệ của những phản ứng lý học và hóa học giữa tảo, Nitơ, Photpho, DO, COD, BOD và trầm tích. - Trong đó, V: Thể tích của ô lưới chất lượng nước (m 3. - Phương trình tính toán hệ số phân tán trong mô hình HEC-RAS. - 2.3 Thành lập mô hình. - Các số liệu đầu vào cần thiết cho phần thủy lực của mô hình. - Dữ liệu hình học: Số liệu thực đo về mặt cắt của đoạn kênh được mô phỏng (được tham chiếu địa lý cụ thể).. - Hình 2: Vị trí đo đạc số liệu về thủy lực (a) và chất lượng nước (b) trên đoạn kênh Xáng (4). - Các số liệu cần thiết cho phần chất lượng nước. - Điều kiện ban đầu: Nồng độ thực đo ban đầu của các biến chất lượng nước trên kênh (COD, BOD, Nitơ tổng (TN) và Photpho tổng (TP)) tại các điểm đo NM1, NM2, NM3, NM4 và NM5 (Hình 2b).. - 2.4 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. - Mô hình được hiệu chỉnh dựa vào (i) bộ số liệu thủy lực. - và, (ii) bộ số liệu chất lượng nước (nồng độ COD, BOD, TN và TP) thực đo từ 9 giờ đến 20 giờ ngày 27.9.2009 bằng cách thay đổi các thông số trong mô hình (hệ số nhám thủy lực Manning’s n trong phần mô phỏng thủy lực và hệ số phân tán (D) trong phần mô phỏng chất lượng nước). - Việc chọn thông số mô hình được thực hiện bằng phương pháp thử. - sai [5] cho đến khi kết quả mô hình được đánh giá là phù hợp với kết quả thực đo. - Sau đó, mô hình được kiểm định bằng bộ dữ liệu thủy lực và chất lượng nước (thực đo) từ 21 giờ ngày 27.9.2009 đến 8 giờ ngày 28.9.2009.. - 2.5 Xây dựng các kịch bản dự báo chất lượng nước. - Việc xây dựng các kịch bản cho mô hình dựa trên sự thay đổi tải lượng thải và lưu lượng nước ở thượng nguồn (Bảng 1). - và, (ii) Lưu lượng nước thượng nguồn tăng 10% và 20% vào mùa mưa và giảm 10% và 20% vào mùa khô.. - và, (ii) Lưu lượng nước thượng nguồn giảm 10% và 20%.. - Bảng 1: Kịch bản mô phỏng chất lượng nước trong tương lai Kịch bản Lưu lượng nước. - Kịch bản B -10%. - Chất lượng nước mô phỏng được so sánh với QCVN 08:2008 ở cột B1 và A2 (Bảng 2) để đánh giá mức độ ô nhiễm trên đoạn kênh. - Xáng trong tương lai khi có sự thay đổi lưu lượng nước từ thượng nguồn và sự gia tăng tải lượng thải.. - Bảng 2: Chỉ tiêu chất lượng nước được lựa chọn để so sánh (QCVN 08:2008). - Thông số chất lượng nước Đơn vị QCVN loại A2 QCVN loại B1. - 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết quả tính toán thủy lực. - Mô hình thủy lực được hiệu chỉnh thông qua việc thay đổi hệ số nhám thủy lực Manning’s n.. - Trong đó, với hệ số nhám thủy lực n = 0,033, kết quả mực nước mô phỏng ở 3 mặt cắt (mặt. - Kết quả kiểm định mô hình với bộ dữ liệu từ 21 giờ ngày 27.9.2009 đến 8 giờ ngày 28.9.2009 được thể hiện trong hình 4a, b và c.. - Có thể thấy, mực nước mô phỏng trong khoảng thời gian kiểm định không được chính xác như ở phần hiệu chỉnh. - thực đo và mô phỏng ở phần kiểm định là do độ dốc mặt nước ở chuỗi số liệu hiệu chỉnh (từ 9 giờ đến 20 giờ ngày và ở chuỗi số liệu kiểm định (từ 21 giờ ngày 27.9.2009 đến 8 giờ ngày khác nhau (Hình 5). - Theo phương trình hệ số nhám thủy lực Manning’s n, khi thay đổi độ dốc đáy (hay độ dốc mặt nước) thì hệ số nhám thủy lực cũng sẽ thay đổi. - ở trường hợp này vì có 2 chuỗi giá trị độ dốc khác nhau nên cần phải có 2 giá trị hệ số nhám thủy lực tương ứng. - Mặc dù vậy, sai khác giữa kết quả tính toán của mực nước thực đo và mô phỏng vẫn nằm trong khoảng tin cậy với hệ số Nash – Sutcliffe (E) trên 93%, (Hình 4a, b và c).. - Hình 3: Mực nước thực đo và mô phỏng tại mặt cắt 2 (a), 3 (b) và 4 (c) với hệ số nhám thủy lực n=0,033 (9 giờ - 20 giờ ngày 27.9.2009). - Hình 4: Mực nước thực đo và mô phỏng ở mặt cắt 2 (a), 3 (b) và 4 (c) với hệ số nhám thủy lực n giờ ngày 27.9.2009 đến 8 giờ ngày 28.9.2009). - 3.2 Kết quả tính toán chất lượng nước Hệ số phân tán theo chiều dọc của dòng chảy trên sông tự nhiên thay đổi từ m 2 s -1 nhằm phản ánh sự khác biệt của hệ số phân tán dọc, đặc tính hình thái và thủy văn ảnh hưởng đến quá trình khuếch tán và truyền dẫn [1]. - Vì vậy, quá trình hiệu chỉnh chất lượng nước được thực hiện nhiều lần (từ hệ số phân. - hệ số phân tán D = 400 m 2 s -1 , bước thời gian là 1 giờ và điều kiện ban đầu như sau: COD là 13 mg/l, BOD là 10,5 mg/l, TN là 3,8 mg/l và TP là 3 mg/l thì các kết quả mô phỏng phù hợp với thực đo (Hình 6). - Mặc dù vậy, vẫn tồn tại những sai số nhất định và điều này có thể lý giải do: Trong mô hình HEC-RAS, đoạn kênh nghiên cứu dài 800 m bị giởi hạn bởi 5 mặt cắt. - lượng nước xuất ra từ mô hình là ở 1 điểm trên 1 đoạn kênh giữa 2 mặt cắt (giá trị điểm mô phỏng chất lượng nước thay đổi theo thời gian).. - Như vậy, kết quả mô hình tại một điểm đại diện cho một 1 đoạn sông giữa 2 mặt cắt là khá rộng còn việc lấy mẫu đo đạc thì lại được thực hiện trên 1 vị trí xác định. - kết quả từ mô hình chỉ thể hiện được diễn biến của nồng độ các chất mô. - Bên cạnh đó, đây là mô hình 1 chiều nên việc mô phỏng chỉ theo phương dọc của dòng chảy và không thể phản ánh đầy đủ đặc tính dòng chảy như ở các mô hình 2 hay 3 chiều.. - Hình 6: Nồng độ COD (a), BOD (b), TN (c) và TP (d) mô phỏng và thực đo tại 5 vị trí dọc kênh Xáng. - Bên cạnh đó, việc phân tích này chỉ nhằm xem xét diễn biến thay đổi nồng độ chất ô nhiễm theo thời gian cũng như thay đổi lưu lượng nước thượng nguồn ảnh. - hưởng như thế nào đến kết quả mô phỏng chất lượng nước. - Bên cạnh đó, với các trường hợp gia tăng lưu lượng nước sông ở thượng nguồn thì nhìn chung chuỗi giá trị nồng độ COD thấp hơn so với các trường hợp lưu lượng nước thượng nguồn giảm. - Kết quả mô phỏng này phù hợp với kết quả phân tích biến thiên nồng độ COD theo thời gian ở vị trí thu mẫu nước mặt gần nhà máy Phương Nam.. - Hình 7: COD mô phỏng khi tăng (giảm) lưu lượng nước thượng nguồn (Q). - 3.3 Diễn biến chất lượng nước trên đoạn kênh Xáng theo các kịch bản được xây dựng. - Theo kịch bản A và B đã được xây dựng thì hầu hết đều cho kết quả diễn biến COD và TN trên các đoạn kênh đều không vượt QCVN 08:2008 ở cột B1. - Tuy vậy, giá trị BOD mô phỏng lại vượt giá trị quy định ở cột B1 ở một số thời điểm nhất định. - Ngoài ra, khi so sánh kết quả của các chỉ tiêu COD, BOD và TN với cột A2 của QCVN 08:2008 thì đều cao hơn rất nhiều. - Sau đây sẽ chỉ xem xét kết quả COD, BOD, TN và. - Kết quả kịch bản A. - Với các kịch bản gia tăng tải lượng thải và lưu lượng nước thượng nguồn thì hầu hết các chỉ tiêu đều vượt QCVN 08:2008 ở mức A2 nhiều lần, nhưng vẫn chưa vượt ngưỡng ở cột B1. - Kết quả này phản ánh việc lưu lượng nước trên kênh vẫn còn đủ lớn để pha loãng và phân tán các chất ô nhiễm theo thời gian. - Tuy nhiên, chỉ tiêu BOD mô phỏng vượt mức B1 ở một vài trường hợp trong chuỗi thời gian mô phỏng (lúc 17 giờ, 18 giờ, và từ 6 giờ đến 8 giờ) (Hình 8b và 9b), đồng thời đa số các trường hợp vượt chuẩn là thuộc kịch bản giảm lưu lượng nước thượng nguồn 10% và 20%.. - Hình 8: Kết quả diễn biến COD (a), BOD (b), TN (c) và TP (d) khi gia tăng tải lượng thải 50% ở đoạn kênh từ mặt cắt 4 đến mặt cắt 5 so sánh với QCVN 08:2008 theo kịch bản A. - Hình 9: Kết quả diễn biến COD (a), BOD (b), TN (c) và TP (d) khi gia tăng tải lượng thải 70% ở đoạn. - Kết quả kịch bản B. - Ở kịch bản B, do nồng độ của các thông số ô nhiễm trong nước thải sau khi xử lý đạt QCVN 11:2008, cột B (đối với nước thải công nghiệp) nên hầu hết các kết quả của các chỉ tiêu COD,. - BOD và TN ở các trường hợp tải lượng gia tăng 50% và 70% đều cho kết quả không vượt QCVN 08:2008 ở cột B1. - Do vậy, Hình 10 chỉ thể hiện kết quả đối với trường hợp tải lượng thải của nhà máy tăng 70%.. - Hình 10: Kết quả diễn biến COD (a), BOD (b) và TN (c) khi gia tăng tải lượng thải 70% ở đoạn kênh từ mặt cắt 4 đến mặt cắt 5 so sánh với QCVN 08:2008 theo kịch bản B. - Kết quả cho thấy, mô hình thủy lực 1 chiều (HEC-RAS) cho kết quả mô phỏng thủy lực có độ tin cậy cao, đồng thời mô hình cũng có thể được áp dụng nhằm mô phỏng và dự báo chất lượng nước ở đoạn kênh Xáng trên địa bàn tỉnh Sóc Trăng.. - Đối với phần thủy lực: Sau khi hiệu chỉnh, mô hình đảm bảo độ chính xác cần thiết với bước thời gian tính toán là 1 giờ và hệ số nhám thủy lực n = 0,033.. - Đối với phần chất lượng nước: Với hệ số phân tán D = 400 m 2 s -1 , bước thời gian là 1 giờ và điều kiện ban đầu được xác định (COD = 13 mg/l, BOD = 10,5 mg/l, TN = 3,8 mg/l và TP = 3 mg/l) thì sai số giữa kết quả tính toán với kết quả thực đo nhỏ hơn 20%.. - Đối với phần dự báo chất lượng nước: Sự thay đổi nồng độ COD, BOD, TN và TP trên đoạn kênh chịu ảnh hưởng bởi sự gia tăng tải lượng thải của các nhà máy và phụ thuộc không nhỏ vào sự thay đổi lưu lượng nước thượng nguồn.. - Với kịch bản A: Khi so sánh các chỉ tiêu mô phỏng (COD, BOD và TN) ở các trường hợp khác nhau với QCVN 08:2008, kết quả mô phỏng đều vượt mức 2. - cạnh đó, đa số các thời điểm vượt chuẩn là khi giảm lưu lượng nước thượng nguồn 10%. - Tuy nhiên, nếu sự tiếp nhận tải lượng thải của đoạn kênh là liên tục và chịu ảnh hưởng bởi nhiều nguồn thải khác chưa được đưa vào mô hình (nước thải sinh hoạt từ khu dân cư, nước chảy tràn từ bề mặt đất. - cộng với việc giảm lưu lượng nước thượng nguồn ngày càng lớn trong tương lai thì có thể các chỉ tiêu này sẽ vượt chuẩn nhiều lần.. - Tuy vậy, kết quả của nghiên cứu này chỉ được thực hiện trong một đoạn kênh ngắn với chuỗi số liệu đầu vào chỉ trong 24 giờ, nên chưa thể hiện hết được đặc tính thủy lực và diễn biến chất lượng nước một cách chi tiết trong thời gian dài. - Mặc dù vậy, kết quả này chỉ là bước cơ bản nhằm tạo tiền đề cần thiết để thực hiện những nghiên cứu về sau với mạng lưới sông ngòi có đặc tính dòng chảy và nguồn xả thải. - Bên cạnh đó, kết quả mô phỏng đối với chỉ tiêu TP vào khoảng thời gian cuối mô phỏng lại tăng cao (Hình 9, 10). - Ngoài ra, để độ chính xác của mô hình tốt hơn thì chuỗi số liệu quan trắc phải được đo đạc trong thời gian dài (tháng hoặc năm) về cả đặc tính thủy lực và chất lượng nước.. - Mô hình hóa môi trường.. - Ứng dụng mô hình toán học tính toán dự báo xu thế diễn biến chất lượng nước phụ thuộc vào các kịch bản kinh tế xã hội lưu vực sông Sài Gòn – Đồng Nai