Từ khóa: Chất lượng nước; Mô hình MIKE 11, sông Mỹ Thanh.

Giới thiệu 

Sự phát triển của kinh tế, xã hội kéo theo đó là vấn đề xả thải gây ô nhiễm môi trường. Trong những năm gần đây các nghiên cứu đã sử dụng các mô hình toán để mô phỏng, đánh giá chất lượng nước do các nguồn thài đổ ra [1-4]. Có thể thấy, việc nghiên cứu sử dụng mô hình MIKE 11 kết hợp giữa các mô đun thủy lực HD, chất lượng nước Ecolab và khuếch tán AD là phù hợp để mô phỏng quá trình lan truyền một số chất ô nhiễm từ các nguồn thải công nghiệp, sinh hoạt, nông nghiệp đổ ra sông Mỹ Thanh. Mục đích của bài báo này là đánh giá diễn biến chất lượng nước sông Mỹ Thanh sau khi tiếp nhận các nguồn thải.

Dữ liệu và phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu nghiên cứu và thiết lập mô hình

Nghiên cứu kế thừa hệ thống thủy lực hệ thống sông Mỹ Thanh từ đề tài mã số TNMT.ĐL.2024.07.

Hình 1. Vị trí các điểm lấy mẫu chất lượng nước

Dữ liệu địa hình mặt cắt ngang sông gồm: 9 mặt cắt ngang.

Sơ đồ tính thuỷ động lực được trình bày trong Hình 2 với các biên như sau: 

Biên trên: Lưu lượng nước, thông số chất lượng nước tại mặt cắt số 1.

Biên dưới: Mực nước, thông số chất lượng nước tại mặt cắt số 3.

Vị trí kiểm tra: Mực nước và chất lượng nước tại mặt cắt số 2. 

Bước thời gian tính toán trong mô hình là #t = 1 giây.

Hình 2. Sơ đồ mạng tính thủy lực mô phỏng chất lượng nước khu vực nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này sử dụng mô hình thủy động lực một chiều với 03 mô đun (HD, AD và Ecolab). Mô đun HD được xây dựng dựa trên hệ phương trình Saint – Venant gồm phương trình động lượng và phương trình liên tục [5].

Phương trình cơ bản của modul tải khuyếch tán: Phương trình được thiết lập dựa trên định luật bảo toàn khối lượng với các giả thiết sau: Các chất được coi như xáo trộn hoàn toàn trên toàn mặt cắt; Các chất được coi là không biến đổi hoặc có tốc độ phân huỷ bậc 1; Áp dụng định luật khuyếch tán Fick, nghĩa là coi các chất phân tán theo sự biến thiên nồng độ Phương trình lan truyền, khuyếch tán trong mô hình MIKE 11.

Kết quả và thảo luận 

Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 

Việc hiệu chỉnh bộ thông số mô hình chủ yếu được tiến hành bằng cách thay đổi bộ thông số thủy lực đồng thời kiểm tra tính hợp lý tại các điều kiện biên. Chuỗi số liệu thực đo trong tháng 3 các năm 2021 và 2022 được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Giá trị mực nước và chất lượng nước quan trắc tại vị trí mặt cắt 2 được sử dụng để đánh giá mô hình.

Để đánh giá kết quả tính toán và mô phỏng của mô hình, tiến hành tính toán đánh giá sai số giữa mực nước tính toán và thực đo trong bước hiệu chỉnh mô hình được đánh giá theo chỉ số Nash-Sutcliffe. Sử dụng sai số phần trăm (%) để đánh giá kết quả mô phỏng chất lượng nước vơis thực đo.

Chỉ số Nash: Có ý nghĩa đánh giá mức độ tương quan giữa kết quả tính toán và kết quả đo đạc. Và được xác định theo công thức:

Htđ: Mực nước thực đo tại thời điểm thứ i

Htt: Mực nước tính toán tại thời điểm thứ i

Htdtb: Mực nước thực đo trung bình các thời đoạn

Sử dụng chỉ tiêu sai số phần trăm % để đánh giá kết quả mô phỏng và thực đo của chất lượng nước.

Kết quả hiệu chỉnh thể hiện từ hình 3 đến Hình 12 và Bảng 2:

Hình 3. Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tháng 3/2022

Hình 4. Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tháng 3/2021

Bảng 1. Bảng tính chỉ số Nash

Kết quả kiểm định mô đun thủy lực cho thấy, mặc dù giá trị tức thời giữa thực đo và mô phỏng còn sai khác nhau nhưng sự thay đổi của đường quá trình mực nước thực đo và mô phỏng là tương đối đồng pha và bám sát nhau.

Việc hiệu chỉnh thông số của mô hình chất lượng nước được tác giả thực hiện qua việc thay đổi tham số phân tán D trong Module Tải Phân tán và bộ tham số trong Module Ecolab để có được kết quả tính toán phù hợp với thực đo chất lượng nước năm 2022.

Hình 5. Kết quả hiệu chỉnh chất lượng nước tháng 3/2022 tại mặt cắt số 2

So sánh giữa tính toán và thực đo tại vị trí lấy mẫu số 2 trên sông Mỹ Thanh cho thấy kết quả thực đo và mô phỏng khá bám sát nhau, sai số phần trăm trung bình giữa tính toán và thực đo với các chất DO, BOD5, NH4+, NO3- và PO43- lần lượt là: 11,25%, 14,6%, 8,2%, 10,28% và 10,9%. Do đó có thể thấy sự phù hợp giữa tính toán và thực đo.

Với các kết quả thông số chất lượng nước đã hiệu chỉnh phù hợp hoàn toàn có thể sử dụng tính toán đánh giá kiểm định mô hình.

Sử dụng bộ tham số sau khi đã hiệu chỉnh để kiểm định lại mô hình chất lượng nước với số liệu thực đo tại mặt cắt số 2 được lấy mẫu vào lúc 10h ngày 18 tháng 3 năm 2021. Kết quả cho thấy sai số phần trăm trung bình giữa tính toán và thực đo với các chất DO, BOD5, NH4+, NO3- và PO43- lần lượt là: 12,14%, 3,43%,11,76% và 2,27%.

Hình 6. Kết quả kiểm định chất lượng nước tháng 3 năm 2021 tại mặt cắt số 2

Từ các kết quả hiệu chỉnh và kiểm định phân tích ở trên cho thấy mô hình, các thông số thủy lực và chất lượng nước đã chọn phù hợp với hiện trạng sông Mỹ Thanh, và bộ thông số này được đánh giá tốt có thể dùng mô phỏng thủy lực phân tích đánh giá chất lượng nước.

Đánh giá chất lượng nước trên sông Mỹ Thanh

Nghiên cứu tiến hành xuất kết quả chất lượng nước tại 10 vị trí trên sông Mỹ Thanh (Hình 7) và so sánh với các giá trị giới hạn tại cột B của QCVN 08:2023/BTNMT để đánh giá chất lượng nước dọc sông Mỹ Thanh. 

Hình 7. Vị trí các điểm trích xuất kết quả mô phỏng

Hình 8. Kết quả mô phỏng nồng độ BOD5 tại các vị trí

Nồng độ tổng BOD5 tại các vị trí kiểm tra trên sông Mỹ Thanh so với giá trị giới hạn tại cột B của QCVN 08:2023/BTNMT, cho thấy khi tại điểm 1 có giá trị là 6,83 lớn hơn giới hạn cho phép, các vị trí còn lại trên sông đều nhỏ hơn nồng độ tổng Ni tơ nhỏ hơn giới hạn cho phép.

Hình 9. Kết quả mô phỏng nồng độ tổng Ni tơ tại các vị trí

Nồng độ tổng Amoni và tổng Ni tơ tất cả các điểm trên sông đều nằm ở dưới ngưỡng B của QCVN 08:2023/BTNMT. Tuy nhiện tại các điểm số 6 và số 7 có xu hướng lớn hơn so với các điểm khác, điều này có thể được giải thích là do khu vực này có nhiều nhà máy dọc 2 bên bờ sông.

Hình 10. Kết quả mô phỏng nồng độ tổng Amoni tại các vị trí

Hình 11. Kết quả mô phỏng nồng độ tổng Phốt pho tại các vị trí

Nồng độ tổng Phốt pho đều nằm ở dưới ngưỡng B của QCVN 08:2023/BTNMT tại tất cả các vị trí kiểm tra trên sông Mỹ Thanh.

Kết luận

Nghiên cứu đã tiến hành thiết lập mô hình và mô phỏng chất lượng nước các sông trong khu vực dự án với các số liệu được khảo sát vào tháng 3 các năm 2021, 2022. Theo kết quả mô phỏng, nồng độ BOD5, Amoni, tổng ni tơ, tổng phốt pho đều nhỏ hơn giới hạn cột B QCVN 08:2023/BTNMT.

Lời cảm ơn: Tập thể tác giả bài báo xin gửi lời cảm ơn đến đề tài “Nghiên cứu phương pháp xác định hạn ngạch xả thải vào các sông khu vực chịu ảnh hưởng triều với hệ thống sông đổ ra nhiều cửa”, mã số TNMT.ĐL.2024.07 đã hỗ trợ các dữ liệu để tập thể các tác giả hoàn thành bài báo này. 

Tài liệu tham khảo

1.    Trần Hữu Thế, Đoàn Quang Trí, Quách Thị Tuyết, Nguyễn Văn Nhật, Phạm Tiến Đức (2022) Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE 11 đánh giá chất lượng nguồn tiếp nhận nước thải từ khu công nghiệp ra sông Cẩm Giảng, Hải Dương, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, số 744, 67-80;

2.    Doan, Q.T.; Nguyen, T.M.L.; Quach, T.T.T.; Tran, A.P.; Nguyen, C.D. Assessment of water quality in coastal estuaries under the impact of an industrial zone in Hai Phong, Vietnam. Phys. Chem. Earth. A/B/C/ 2019, 113, 100-114;

3.    Nguyen, P.Q.A.; Gourbesville, P.; Audra, P.; Vo, N.D.; Vo, D.N.K. Methodology for Wastewater Discharge Modeling – Application to Danang Bay, Vietnam. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2020, 505, 012047;

4.    Doan, Q.T.; Nguyen, T.M.L.; Tran, H.T.; Kandasamy, J. Application of 1D–2D coupled modeling in water quality assessment: A case study in Ca Mau Peninsula, Vietnam. Phys. Chem. Earth. A/B/C/ 2019, 113, 83-99;

5.    Trần Văn Tình, Nguyễn Thị Bích Ngọc, Nguyễn Thành Luân, Hoàng Ngọc Quang (2018) Ứng dụng mô hình MIKE 11 ST tính toán dòng chảy bùn cát cho vùng hạ lưu sông Mê Công, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, số 695, 47-53.

TRẦN VĂN TÌNH¹, VŨ VĂN DOANH¹, PHẠM MINH TRͲ, MAI QUANG TUẤN¹, 
1. Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội
2. Học viên cao học
Nguồn: Tạp chí Tài nguyên và Môi trường số 3 năm 2025