Tài liệu Mô hình hóa môi trường- mô hình đánh giá ô nhiễm hồ chứa

Báo cáo Mô hình hóa Nhóm 1 Chương 1: GIỚI THIỆU Hiện nay, ô nhiễm môi trường đang là vấn đề báo động song hành với sự phát triển kinh tế xã hội, đặc biệt tại các quốc gia đang phát triển. Tại nhiều nơi, chất lượng nước, đất, không khí suy giảm nhanh chóng vượt qua khả năng tự làm sạch tự nhiên. Trong lĩnh vực khoa học quản lý môi trường và kỹ thuật môi trường, việc quan trắc dự báo diễn biến mọi trường mang tầm quan trọng cho các quyết định giải quyết vấn đề. Tuy nhiên việc đo đạc, quan trắc môi trường rất tốn kém kinh phí và công suất con người. Nhằm giảm thiểu khó khăn này, các nhà khoa học đã và đang tiếp túc phát triển và ứng dụng các mô hình đánh giá chất lượng, ô nhiễm, quản lý môi trường. “Môi hình đánh giá ô nhiễm hồ chứa” là một trong những thành công của Mô hình hóa môi trường. Mô hình này giúp các nhà quản lý tính toán, dự đoán được mức độ ô nhiễm của hồ ở hiện tại và tương lai. CBGD:Trần Ngọc Châu 1 Báo cáo Mô hình hóa Nhóm 1 Chương 2: NỘI DUNG 2.1. Giới thiệu về hồ chứa Hồ được định nghĩa là thủy vực giới hạn bởi bờ, có thể khép kín hoặc không khép kín. Theo độ sâu hồ được chia thành hai loại: hồ nông và hồ sâu.  Hồ nông có độ sâu dưới 7 m có điều kiện quang hợp tốt; khả năng phú dưỡng cao.  Hồ sâu có độ sâu trên 7 m nơi chế độ phân tầng về nhiệt độ, chất dinh dưỡng và oxy rõ rệt. Mô hình hóa chất lượng nước trong hồ (lake) và hồ chứa (reservoir) có sự khác biệt so với mô hình hóa chất lượng nước sông, cửa sông hoặc bờ biển. Tuy mục đích sử dụng của nước hồ tương tự nước sông như cung cấp các tiện nghi, thủy sản và cấp nước, nhưng những đặc điểm môi trường của hồ chứa tạo nên sự khác biệt rất lớn so với kênh sông nơi có dòng chảy. Phần lớn mô hình hồ và hồ chứa đều liên quan tới sự phân tầng nhiệt và phú dưỡng, sự quan tâm về BOD/DO có vị trí quan trọng thứ hai, tảo được quan tâm nhiều hơn so với vi khuẩn. Hình 2.1: Hồ chứa nhu cầu sinh hoạt CBGD:Trần Ngọc Châu Hình 2.2: Hồ chứa nhu cầu thủy điện 2 Báo cáo Mô hình hóa Nhóm 1 2.2. Ứng dụng mô hình vào quản lý hồ chứa 2.2.1. Mô Hình Toán Học của thủy động lực học và chất lượng nước trong một hồ chứa nhiệt đới, Đông Bắc Brazil (Braz. J. Aquat. Sci. Technol., 2008, 12(1):19-30.)  Tóm tắt Araujo, M. Costa, M.F.; Aureliano, J.T. & Silva, M.A. năm 2008. Mô hình toán học của thủy động lực học và chất lượng nước trong một hồ chứa nhiệt đới, vùng Đông Bắc Brazil. Braz. J. Aquat. Braz. J. Aquat. Sci. Technol. 12(1):19-30. ISSN 1808-7035. Hệ thống sông Pirapama trong bang Pernambuco, Đông Bắc Brazil, là một trong những nguồn nước lớn cuối cùng của nguồn cung cấp nước đầy đủ cho khu vực. Hồ chứa được xây dựng để lưu trữ nước để sử dụng trong sinh hoạt, nông nghiệp và công nghiệp. Tuy nhiên, việc hình thành các hồ chứa sẽ bắt đầu một quá trình vật chất khoáng hữu cơ, dẫn đến hiện tượng phú dưỡng của vùng biển và sự suy giảm nồng độ oxy hòa tan, dẫn đến hiện tượng thiếu ôxy gần lòng hồ. Hồ nước cũng bị ảnh hưởng bởi yếu tố đầu vào thượng nguồn nước thải sinh hoạt, nông nghiệp và nước thải từ các nhà máy mía đường và chưng cất. Công việc này được áp dụng một cách tiếp cận một chiều thẳng đứng (CE-Qual-R1) để mô phỏng sự hình thành của các hồ chứa, phân tích các lựa chọn các hoạt động thay thế khác nhau. Hiện tượng phú dưỡng, thiếu oxy và nhiệt phân tầng tiềm năng đã được nghiên cứu. Dữ liệu chất lượng nước thu được trong 17 tháng được sử dụng để điều chỉnh tỷ lệ mô hình và các thông số. Sau khi mô hình đã được hiệu chuẩn, xác nhận, kịch bản giả định hoạt động được mô phỏng, có cách tính lượng nước bơm vào hay xả thải ra. Điều kiện thiếu ôxy mạnh (DO nồng độ nhỏ hơn 1,0 mg.L-1), liên quan đến hiện tượng phú dưỡng cao (PO4 cao và nồng độ chất diệp lục trong hồ cao), đã được tìm thấy trong tất cả các kịch bản mô phỏng. Về chất lượng nướctrong hồ chứa, việc sử dụng các cửa thoát nước ở đáy hồ làm cho chất lượng nước tốt hơn, vì nó làm cho các vùng nước thiếu ôxy từ các lớp sâu nhất của hồ chứa thoát ra ngoài dễ dàng..Tuy nhiên, những hoạt động này làm cho chất lượng nước hạ lưu hồ chứa bị tổn hại. Từ khóa: hồ chứa năng động, hiện tượng phú dưỡng, lưu vực sông Pirapama, mô hình CE-Qual-R1.  Giới thiệu Do thời gian hạn hán dữ dội và kéo dài dân số của khu vực Recife Metropolitan đã buộc chịu đựng thời gian thiếu nước nước nghiêm trọng. Lưu vực sông Pirapama được coi là một trong những nguồn nước lớn cuối cùng có sẵn trong bang Pernambuco. Chính phủ Nhà nước xác định xây dựng một hồ chứa đặt tại sông Pirapama để tăng nguồn nước cho nông nghiệp đô thị, dân cư và công nghiệp. Con đập trên sông Pirapama đã được lên kế hoạch xây dựng có thể để phù hợp với nhu cầu trong khu vực. Con đập đã được hoạt động từ năm 2011. CBGD:Trần Ngọc Châu 3 Báo cáo Mô hình hóa Nhóm 1 Do sự phân tầng (nhiệt, hóa học hoặc thủy lực) vùng nước sâu nhất của hồ chứa tạo điều kiện cho các loài vi khuẩn hoạt động dẫn đến sự thiếu oxy . Vi khuẩn hoạt động có thể sản xuất các loại khí chẳng hạn như sulphua và khí mê-tan có thể gây ra sự ăn mòn của cơ cấu đập, đường ống thủy lực và máy móc thiết bị cung cấp nước. Do đó, nhân viên môi trường cần có biện pháp khắc phục rủi ro (Heide, 1982). Để giảm những tổn hại đã được xem xét nhiều lần trong thiết kế và xây dựng hồ chứa (Hernandez et al, 1989; Araujo et al, 1990.Wu và cộng sự, 1996). Trong bài báo này, mô hình toán học CE-Qual-R1 (USACE / WES, 1986) được sử dụng để suy ra sự thay đổi chất lượng nước trong hồ Pirapama, nước vào hồ chứa và giai đoạn ổn định. Sự ảnh hưởng của hoạt động khác nhau cũng được kiểm tra chặt chẽ. Trong phần đầu của nghiên cứu, kết quả mô hình được so sánh với các dữ liệu chất lượng nước như là một cách để điều chỉnh mô hình tỷ lệ và các thông số. Sau đó, hai trường hợp giả thuyết được mô phỏng. Những tình huống này cho phép khám phá loại bỏ chất dư thừa chảy ra hồ thông qua hai cấu trúc đập khác nhau trên hồ chứa .  Mô hình chất lượng nước và quản lý hồ chứa Trong nỗ lực cuối cùng đáng kể, các nhà khoa học đã đóng góp trong việc phát triển các mô hình toán học để dự đoán trạng thái phú dưỡng của tự nhiên và nhân tạo trong hồ như các chức năng của đầu vào chất dinh dưỡng (Jørgensen, 1986; Jørgensen & Bendoricchio, 2001). Các tác phẩm của Chen & Orlob (1972) và Di Toro et al. (1971) đại diện trong lĩnh vực các mô hình của hiện tượng phú dưỡng. Sau khi các mô hình chất lượng nước đầu tiên đã được nghiên cứu , rất nhiều mô hình mới các công cụ mới đã nhanh chóng phát triển với định hướng chủ yếu là ứng dụng thực tế cho quản lý môi trường. Nyholm (1978), ví dụ phát triển một mô hình cho sự tăng trưởng thực vật phù du, phốt pho và nitơ trong hiện tượng phú dưỡng hồ chứa. Mô hình này đã được sử dụng để mô phỏng một chu kỳ dinh dưỡng 1-năm ở 12 hồ khác nhau tại Đan Mạch, như là một phần của việc khảo sát chất lượng nước được thực hiện bởi Viện chất lượng nước, Đan Mạch. Jørgensen et al. (1978) xác nhận một mô hình phú dưỡng hóa sử dụng dữ liệu từ cả hai hồ Lyngby và Glumso. Mô hình của họ đã được điều chỉnh trên cơ sở dữ liệu thu được từ các phép đo của hồ Lyngby trong thời gian 1952-1958. Sau khi xác nhận, mô hình đã được sử dụng để mô phỏng những thay đổi của hồ Lyngby trong giai đoạn 1959-1975. Schnoor & OÂ'Connors (1980) cũng sử dụng một mô hình hiện tượng phú dưỡng để điều tra sự phát triển dinh dưỡng của một hồ chứa thời gian ngắn bị bỏ hoang tại Trung tâm Texas, Hoa Kỳ (Hồ Lyndon B. Johnson), và hồ bị bỏ hoang một thời gian dài (Hồ Ontario). Những tác giả áp dụng phương pháp này như một công cụ quản lý cho giới hạn photpho trong 81 hồ của viện Khảo sát hiện tượng phú dưỡng quốc gia Hoa Kỳ (NES). CBGD:Trần Ngọc Châu 4 Báo cáo Mô hình hóa Nhóm 1 Mô hình CE-Qual-R1 đã được sử dụng để đánh giá dữ liệu thu thập tại một hồ chứa nhỏ trong tình trạng phú dưỡng ở gần Spring Valley, Wisconsin, USA (Wlosinski & Collins, 1985). Dữ liệu thu thập hàng tuần hoặc hai tuần một lần vào năm 1981 và 1982 đã được sử dụng như là một cơ sở cho việc hiệu chuẩn và xác nhận việc mô phỏng. so sánh hơn 3200 giá trị đo được so với dự đoán, trong 20 biến số khác nhau, được thực hiện cho từng năm. Kết quả chỉ ra rằng mô hình có thể dự đoán thời gian biến đổi của chất lượng nước tại hồ chứa. Tundisi (1990) xác định và mô tả một số đặc điểm cơ bản của vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới của các hồ chứa nước ở Nam Mỹ rất cần thiết sử dụng mô hình hóa. Tác giả cho rằng kích thước, khối lượng và quy mô của các hệ sinh thái nhân tạo lớn rất tiện cho việc thực hiện của một số phương pháp phương pháp tiếp cận hữu ích bằng các các mô hình, bao gồm cả hải dương học kỹ thuật và sử dụng chuyên sâu của hình ảnh vệ tinh. Đồng thời, nó được nhấn mạnh rằng đó là cần thiết để xem xét khả năng phục hồi của sông, chất lượng nước sử dụng và các yêu cầu chế độ dòng chảy trong khu vực hạ lưu. Trong cùng năm đó, Araujo et al. (1990) sử dụng mô hình CE-Qual-R1 để phân tích tính hữu dụng và tính khả thi của cơ cấu thủy lực trong việc cho phép quản lý thủ tục để kiểm soát chất lượng nước hồ chứa. Một ví dụ là nghiên cứu về tính khả thi của một ống dẫn phía dưới hồ nhằm cải thiện chất lượng nước Hồ chứa Cachoeira Porteira, Brazil. Các mô phỏng liên quan đến bốn giả thuyết khác nhau, với việc xem xét tỷ lệ lưu lượng khác nhau thông qua một cống thoát phía dưới. Các thay đổi xu hướng chất lượng hồ chứa nước đã được phân tích, nhấn mạnh cường độ của sự phân tầng, hiện tượng phú dưỡng, và thiếu ôxy do thảm thực vật tự nhiên bị ngập ún. Kết quả cho thấy, cần xem xét cẩn thận vị trí đặt ống dẫn từ khâu thiết kế đến lúc vận hành hồ chứa.  Tư liệu và phương pháp Lưu vực sông Pirapama, bang Pernambuco, Brazil, diện tích bề mặt 600 km2 (Hình 2.3). Sông đầu nguồn dài 450m, và các dòng sông chạy dài khoảng 80 km cho đến Đại Tây Dương (Araujo et al, 1999). CBGD:Trần Ngọc Châu 5 Báo cáo Mô hình hóa Nhóm 1 Hình 2.3: Bang Pernambuco, Brazil với diện tích bề mặt 600 km2 Khí hậu nhiệt đới, ẩm ướt và ấm áp, và nhiệt độ trung bình là 26 ± 2.8 C. Lượng bốc hơi và lượng mưa hàng năm tương ứng là 1,5 m và 1,2 m. Vùng thuỷ văn đặc trưng bởi hai giai đoạn được xác định rõ: một mùa khô (tháng 9 – tháng 3, lượng mưa hàng tháng khoảng 0.06m và lượng bốc hơi >0.06m) và mùa mưa (tháng 3 – tháng 9, lượng mưa và bốc hơi tương đối bằng nhau). Lưu vực tiếp nhận lượng nước lớn từ nông nghiệp và công nghiệp không được xử lí, hoặc được xử lý một phần. Các vùng thấp được bao quanh bởi rừng ngập mặn có chất lượng tương đối tốt. Các tính năng chính của hồ chứa Pirapama được trình bày trong Bảng 2.1. o Bảng 2.1: Các tính năng chính của hồ chứa Pirapama Tính năng MLS ( độ cao tính thừ đáy) Lưu lượng dòng chảy nhánh Diện tích bề mặt ( độ cao 45,7m) Khối lượng tích lũy ( độ cao 45,7m) Cấu trúc bơm nước Cấu trúc đập Giá trị 23m 10,5 m3.s-1 6,610 x 103m2 60,973 x 103m2 Trên cao: 39,1m Thấp hơn: 28,5m Đập tràn: 45,7m; Ống dẫn phía dưới: 26m CE-Qual-R1 (Quân đoàn kỹ sư, Qual loạt mô hình 1-D cho Hồ chứa) là một mô hình toán học thực hiện bởi các trạm thí nghiệm Đường thủy, do đoàn kỹ sư quân đội Hoa Kỳ đảm nhiệm(Wlosinski & Collins 1985; USACE / WES, 1986). Cấu trúc của nó được đặc trưng bởi một cách tiếp cận theo chiều dọc một chiều áp dụng cho các hồ chứa, khái niệm như một chuỗi các lớp nước có độ dày phụ thuộc vào dòng chảy (Hình 2.4). Nó có thể được sử dụng để giúp cải thiện chất lượng nước trong hồ chứa và trong hạ lưu dòng chảy. CBGD:Trần Ngọc Châu 6 Báo cáo Mô hình hóa Nhóm 1 Hình 2.4: Mô phỏng hình học của một hồ chứa và các cơ chế vận chuyển khối lượng trong mô hình CE-Qual-R1 Công thức bảo toàn khối lượng trong mô hình CE-Qual-R1 : Trong đó: k = chỉ số cho nhánh V = thể tích lớp (m 3) C = nguyên liệu tập trung (g.m-3) Qvào = lớp dòng chảy (m3.s-1) Cvào = nguyên liệu cho lớp (g.m-3) Qra = lớp dòng chảy (m3.s 1) D = hệ số khuếch tán (m2.s-1) A = diện tích bề mặt của lớp (m2) DZ = độ dày lớp (m) F = vật chất nạp (g.s-1) S = vật chất chìm (g.s-1) t = thời gian (s) z = độ cao lớp (m) Các tính năng của mô hình cho phép mô tả thời gian xem xét theo chiều dọc của các biến số khác nhau. Các biến trong nghiên cứu này là nhiệt độ, oxy hòa tan, một trong những nhóm của tảo (chlorophyll-a), mảnh vụn, hòa tan hữu cơ, orthophosphate, ammonia (nitrite + nitrat), carbon, động vật phù du, pH, carbon dioxide và feacal coliforms. Đại diện vật lý của hồ chứa cũng được thể hiện đầy đủ bằng cách sử dụng công cụ này. Một chức năng được sử dụng để tính toán hiệu quả các hồ chứa khu vực Pirapama như là một chức năng về độ cao từ MSL. Một tương quan hệ số 0,97 đã thu được bằng cách sử dụng sáu mươi điểm vối độ cao khác nhau trong khu vực nghiên cứu. Đập hồ chứa được thiết kế có kiểm soát cửa xả, cung cấp nước đường ống dẫn, và một ống dẫn ở phía dưới. Một loạt dòng chảy hàng tháng trong 64 năm đã được phân tích để có được một dòng chảy trung bình dài hạn được sử dụng để thiết lập điều kiện ranh giới thượng lưu cho tất cả các kịch bản mô phỏng (Bảng 2.2). Một chu kì 4 năm và dữ liệu chất lượng nước được thu thập từ 2 trạm lấy mẫu.Các trạm lấy mẫu PP2-20 thu thập dữ liệu điều kiện biên thượng nguồn (Bảng 3) và CBGD:Trần Ngọc Châu 7 Báo cáo Mô hình hóa Nhóm 1 trạm PP2-50, nằm ở các phần sâu hơn gần đập. Dữ liệu trung bình hàng ngày thu được từ hai trạm khí tượng trong khu vực (IPA / LAMEPE, 2000), tạo điều kiện và cơ sở dữ liệu để hiệu chỉnh mô hình. Bảng 2.2: Mô phỏng các kịch bản của hồ chứa Pirapama. Kịch bản Hiệu chuẩn Dự báo mô phỏng 1 - FS1 Dự báo mô phỏng 2 – FS2 Bơm nước Giới hạn dòng chảy ( độ cao, MSL) ( độ cao, MSL) Trên ống dẫn (39,1m) Dưới ống dẫn (25,5m) Trên ống dẫn (39,1m) Đập tràn (45,7m) Đập tràn (45,7m) Dưới ống dẫn (23m) Bảng 2.3: Số liệu các biến số: Tối thiểu, tối đa và các giá trị trung bình được trình bày, với thời gian tương ứng của nó (tháng)  Chương trình hồ chứa với tất cả các mô phỏng dựa trên các bước sau: - Chương trình hồ chứa bắt đầu từ ngày đầu tiên mùa mưa (ngày 01 tháng 3 năm2001); - Lưu lượng tối thiểu 1,2 m3.s-1 của dòng chảy hạ lưu cùng toàn bộ thời gian mô phỏng – bao gồm khi hồ chứa đầy; - Bơm khoảng 1,8 m3.s-1 vào năm 2001 và 2002, bắt đầu từ khi mực nước đạt độ cao của đập tràn (45.7m); - Bơm 3,6 m3.s-1, từ tháng Giêng năm 2003 trở đi. CBGD:Trần Ngọc Châu 8 Báo cáo Mô hình hóa Nhóm 1  Kết quả và thảo luận Kết quả mô phỏng được phân tích xem xét chất lượng nước hồ chứa biến thể. Việc lựa chọn các thông số cần thiết nhằm cho phép một số lượng xác định các cơ chế chính ảnh hưởng đến chất lượng nước hồ chứa. Kinh nghiệm làm hồ chứa ở các nước nhiệt đới khác, nơi ảnh hưởng của các tác động nhân tạo đã được nghiên cứu, cho biết sự phổ biến của các quá trình nào đó mà ảnh hưởng đến nước các cơ chế kiểm soát chất lượng nước hồ (Baxter et al, 1965. Heide, năm 1982 Lewis Jr, 1987, Hernandez et al, 1989; Jørgensen & Araujo, 1988; Araujo, năm 1991; Araujo et al. Năm 1990; Tundisi, năm 1990; Salas & Martino, năm 1991). đặc biệt chú ý các quy trình sau: - Phân tầng tiềm năng - Nhiệt năng của hồ phân phối dọc theo cột nước. - Hiện tượng phú dưỡng tiềm năng - sự tăng cường quá nhiều chất hữu cơ trong hồ chứa; - Thiếu ôxy tiềm năng - sự suy giảm oxy hòa tan liên quan đến sự xuống cấp của chất hữu cơ xâm nhập vào hồ chứa.  Mô hình điều chỉnh hồ chứa Pirapama (hiệu chuẩn - xác nhận). Sự thay đổi về thời gian theo chiều dọc của nhiệt độ T ( oC), pH, oxy hòa tan DO (mg.L-1), nhu cầu oxy sinh địa hoá - BOD5, 20 (mg.L-1), và Orthophosphate - PO4 (mg.L-1) được minh họa trong hình 2.5 và 2.6.Những hồ sơ được trình bày trong năm chuỗi 17 tháng (từ tháng Tám năm 2001 đến tháng năm 2002) cho thấy sự khác biệt từ các lĩnh vực dữ liệu và đầu ra mô hình cuối cùng cho điều kiện thực tế (kịch bản hiệu chuẩn-xác nhận).Hai giai đoạn này đại diện cho khoảng một nửa tổng thời gian mô phỏng.Trong hình 2.5 và 2.6 trục ngang tương ứng với giá trị các biến và trục dọc sang chiều sâu cột nước. Dữ liệu không được vẽ trong một số những hình ảnh đồ họa vì không đo được / hoặc phân tích. Hơn nữa, không có thông tin về các loài cố định nitơ, thực vật phù du và động vật phù du có sẵn. Hình 2.5 đại diện cho khoảng thời gian hiệu chuẩn (từ Tháng Tám, 2001 đến Tháng Ba, 2002) liên quan đến mùa mưa mùa khô. Một khi mô hình các thông số và tỷ lệ đã được điều chỉnh và cố định, mô hình xác nhận thực hiện bởi việc so sánh giữa số kết quả đầu ra và số liệu thứ hai (từ năm 2002 đến Tháng Mười Hai, năm 2002); cũng liên quan đến mùa mưa và mùa khô. Phân tích độ nhạy liên quan đến-CE Qual-R1 mô hình hóa các hồ chứa nhiệt đới đã chỉ ra các thông số có ảnh hưởng nhất trong chất lượng nước hồ (Araujo et al, 1990; Araujo, 1991). Đó là: tỷ lệ quang hợp của tảo (AMU); tỉ lệ CBGD:Trần Ngọc Châu 9 Báo cáo Mô hình hóa Nhóm 1 tương đương giữa vật chất hữu cơ và carbon (BIOC); tỉ lệ tương đương giữa chất hữu cơ và nitơ (BION); tỉ lệ tương đương giữa vật chất và phốt pho hữu cơ (BIOP); và tốc độ phân hủy tối đa của chất hữu cơ (DOMK). Mỗi tham số được chỉ định phạm vi và phân phối thống kê dựa trên giá trị xuất bản văn học (Bowie et al, 1985;. USACE / WES, 1986; Jørgensen et al, 1991;. Jørgensen & Bendoricchio, 2001) . Chiến lược sử dụng để hiệu chuẩn được thực hiện 200 mô phỏng ngẫu nhiên bằng cách sử dụng phương pháp Monte Carlo. Điều này cho phép các thông số được thay đổi ngẫu nhiên theo phân phối thống kê được xác định trước (phân phối bình thường) và mô phỏng cho phép được lặp đi lặp lại để đáp ứng số liệu thống kê có thể được phân tích.Các thiết lập tốt nhất các giá trị tham số đã thu được khi giá trị nhỏ nhất của hàm mục tiêu (tính toán sau khi mỗi mô phỏng Monte Carlo) đã đạt được (Jørgensen & Bendoricchio, 2001). Trong đó: N : số lượng biến Xit: giá trị tính toán thứ i của biến trạng thái Xio: giá trị đo tương ứng Xim: giá trị trung bình Cấu hình thẳng đứng của nhiệt độ chỉ ra rằng hồ chứa Pirapama là một hồ chứa có khả năng chống chịu yếu - phân tầng. Sự khác biệt giữa nhiệt độ bề mặt và dưới đáy được quan sát thấy rõ trong mùa khô (tháng Chín đến tháng Ba trong cả hai năm), mặc dù chúng không đáng kể. Nồng độ đo và mô phỏng của PO4 trong hình 2.5 và 2.6 cho thấy mức độ cao làm giàu khoáng sản của vùng nước hồ chứa.Phân phối theo chiều dọc cho thấy giá trị cao hơn (hơn 0,2 mg.L-1) ở gần phía dưới, có lẽ liên quan đến PO4, hấp thụ các chất rắn lơ lửng, suy thoái chất hữu cơ và các trầm tích, thiếu ôxy. Các giá trị orthophosphate thấp hơn gần bề mặt hồ quan sát được trong các lĩnh vực dữ liệu và mô phỏng là một hệ quả của sự đồng hóa tảo. Gần bề mặt nước và bên trong, các giá trị cao của DO là quan sát được. Những nồng độ quan trọng được tìm thấy trong trên mặt nước hồ cũng liên quan đến thực vật phù du sản xuất oxy trong quá trình quang hợp. Oxy hoà tan (DO) mô tả trong hình 2.5 và 2.6, cùng với sự hoạt động mạnh mẽ của vi khuẩn diễn ra trong hồ chứa Pirapama. Giá trị cao hơn của sự hoạt động được quan sát thấy ở phần dưới của cột nước. Nồng độ hữu cơ cao có liên quan đến các điều kiện thiếu ôxy mạnh (DO thấp hơn 1,0 mg.L -1) dưới độ sâu 10 m, được xác nhận trong các dữ liệu và kết quả mô hình. CBGD:Trần Ngọc Châu 10 Báo cáo Mô hình hóa Nhóm 1 Bảng 2.4: Mô tả và hiệu chỉnh giá trị trong mô phỏng hồ chứa Pirapama, Brazil Biến (đơn vị) AMU (day-1) Mô tả Tỉ lệ quang hợp của tảo trong khoảng chứa Khoảng giá trị Giá trị mô phỏng 0.1 – 11.5 1.7 BIOC (-) Tỉ lệ tương đương giữa vật chất hữu cơ và cacbon 0.4 – 0.6 0.45 BION (-) Tỉ lệ tương đương giữa vật chất hữu cơ và nito 0.0005 – 0.09 0.015 BIOP (-) Tỉ lệ tương đương giữa vật chất hữu cơ và photpho 0.0001 – 0.02 0.0003 BOMK (day-) Tốc độ tối đa phân hủy chất hữu cơ 0.004 – 0.64 0.08  Phân tầng tiềm năng Xu hướng phân tầng nhiệt của hồ chứa được đánh giá từ sự tăng nhiệt độ theo độ cao (độ cao của nhiệt độ tối đa) và nhiệt độ giải phóng tối đa Gradient giá trị -MTG (Hình 2.7a và 2.7b). Điều này đã được quan sát cho tất cả các kịch bản được nghiên cứu. Biên độ nhiệt độ giữa trên cùng của và dưới giới hạn cho thấy giá trị tối đa <10C.m-1 đối với hầu hết các mô phỏng. Quan sát các số liệu theo chiều dọc và sự tiến hóa, độ lớn của sự phân tầng nhiệt phụ thuộc vào mỗi tình huống được phân tích. khi sử dụng outtake 28,5 m dường như ít thuận lợi và chu kỳ phân tầng dữ dội hơn kịch bản FS1. Kịch bản FS2 (hình 2.7c) khác nhau từ tình huống: sau khi bắt đầu của quá trình làm đầy hồ chứa số liệu cột nước là quan sát thấy ở các tháng sau đó. Sự thay đổi nhiệt độ cần xem xét đến các ống dẫn ở đáy hồ.  Hiện tượng phú dưỡng tiềm năng CBGD:Trần Ngọc Châu 11 Báo cáo Mô hình hóa Nhóm 1 Phổ biến quá mức của tảo trong tất cả các kịch bản có thể được quan sát, đặc biệt là trong mùa mưa (Hình 2.8). Vào những tháng mô phỏng thứ ba và thứ tư, nồng độ tảo lớn được quan sát thấy ở các khu vực trong phú dưỡng tất cả các kịch bản. Giai đoạn này được đặc trưng bởi một xu hướng mạnh mẽ của phân tầng nhiệt. Lúc này giá trị thời gian của tảo lên đến 17 mg.L-1 chlorophyll-a (CHL-a) đã được quan sát cho các lớp bề mặt của hồ chứa để nghiên cứu tất cả các trường hợp liên quan. Sau thời hạn đó CHL-nồng độ đạt đỉnh độ lớn khác nhau tùy thuộc vào các hoạt động biến thểcủa tảo. Hiệu chuẩn và dự báo kịch bản FS1 (trong hình 2.8) điểm ra ba đỉnh thực vật phù du lớn hơn tải trọng hữu cơ và vô cơ cũng được quan sát (tháng ba đến tháng Sáu năm 2001, tháng batháng bảy năm 2002; và tháng ba đến tháng Tám, năm 2003). Tuy nhiên, dự báo khác kịch bản FS2 đã trình bày một hành vi khác nhau liên quan đến hiện tượng phú dưỡng, việc loại bỏ các vùng ô nhiễm thông qua ống dẫn dưới cùng thúc đẩy giảm đáng kể CHL. Trong tất cả các kịch bản, những tháng tối đa xuấ hiện thực vật phù du thì có liên quan đến sự giảm mực nước (giảm đến 0,20 - 0.30m). Việc này cũng quan sát tại chỗ ở các hệ thống hồ chứa khác tương tự (ví dụ như Tapacurá hồ chứa, COMPESA, 2000), Đặc biệt là khi căng thẳng gia tăng tảo WS đăng ký. Thời gian phú dưỡng của phốt pho tổng được trình bày trong hình 2.9. Trong tất cả các kịch bản, mức độ phốt pho hòa tan được quan sát thấy ở các cột nước, phần lớn vượt quá giới hạn cổ điển 100 mg.L-1 được đề xuất bởi Vollenweider (1968) cho các hồ ôn đới, và giá trị cụ thể là 119 mg.L-1 gần đây gợi ý cho các hồ chứa nhiệt đới (Salas & Martino, 1991). Các hình dạng của đường cong có một chu kỳ 12 tháng, nhấn mạnh ảnh hưởng mạnh mẽ của mùa nhiệt đới điển hình, bất kể lựa chọn hoạt động được coi là. Hình 2.5. CBGD:Trần Ngọc Châu 12 Báo cáo Mô hình hóa CBGD:Trần Ngọc Châu Nhóm 1 13 Báo cáo Mô hình hóa Nhóm 1 Hình 2.5 : So sánh giữa các trường dữ liệu thực nghiệm (•) và kết quả mô hình (___ ) để hiệu chỉnh kịch bản (tháng 8 năm 2001 đến tháng 3 năm 2002). CBGD:Trần Ngọc Châu 14 Báo cáo Mô hình hóa Nhóm 1 Hình 2.6 So sánh giữa các trường dữ liệu thực nghiệm (•) và kết quả mô hình (____ ) để xác nhận kịch bản (Tháng Tư đến tháng 12 năm 2002)  Tiềm năng thiếu Ôxy Khu vực thiếu ôxy được định nghĩa là khu vực có nồng độ DO dưới 1,0 mg.L .. -1 Số lượng lớn các chất hữu cơ có nguồn gốc từ các vùng thượng nguồn của con đập có thể gây ra nồng độ BOD cao trong cột nước. Hình 2.10a và 2.10b cho thấy một điều kiện thiếu ôxy liên tục, trong thực tế thời gian mô phỏng toàn bộ, hiệu chuẩn và FS1. DO tập trung theo chiều dọc kịch bảng này cho cho thấy là điển hình (hình 2.5 và 2.6). Trong một số kịch bản DO bão hòa trên bề mặt được quan sát, nguyên nhân đề cập đến quá trình quang hợp sản xuất do oxy từ tảo. Điều này cho thấy mức độ hiện tượng phú dưỡng cao khi đập đang hoạt động (24 tháng sau khi bắt đầu của quá trình làm đầy), và sau đó. Một kịch bản tương tự được quan sát từ mô phỏng FS1 vì chất lượng nước tốt hơn của các lớp tiếp theo. Kịch bản FS2 đại diện cho tình hình ít quan trọng (Hình 2.10c), mô phỏng cột nước có xu hướng được oxy hóa trong mùa mưa, điển hình từ năm thứ hai trở đi. Điều kiện như vậy xuất phát từ việc sử dụng có hiệu quả của các lớp dưới cùng, đã có thể giải phóng các vùng nước thiếu ôxy từ các lớp sâu nhất của hồ bơi, hồ chứa. Những đập kỹ thuật hoạt động liên tục, để giảm thiểu tác động đến chất lượng nước trong thực tế để loại bỏ các lớp thiếu ôxy và nâng cao cột nước dọc nhờ cơ chế khuếch tán vật lý hỗn loạn (Araujo et al, 1990; Wu et al, 1996 ). Tuy nhiên, mặc dù tất cả các lợi ích, việc sử dụng của các lớp phía dưới đã chứng minh ở các vùng hạ lưu, đặc biệt là ngay sau khi đập. Bên cạnh những tác động nghiêm trọng đến tính đa dạng sinh học trong hệ sinh thái nước, được đề xuất bởi kết quả mô phỏng, có thể gây ra những hậu quả có hại khác.Trong điều kiện yếm khí, phốt pho sẽ được phát tán từ các lớp trầm tích và vận chuyển bằng cơ chế vật lý ở các lớp bề mặt của hồ chứa. Lĩnh vực phân tích thử nghiệm đã xác nhận giả thuyết thiếu ôxy ở lớp trầm tích như là một nguồn quan trọng của chất dinh dưỡng cho cột nước (Baccini, 1985; Schindler, 1985). Cơ chế này rất quan trọng đối với sự phát triển của tình trạng dinh dưỡng ở các hồ chứa bởi nhu cầu oxy cao sinh vật đáy (Chen & Orlob, năm 1975, Henderson- Sellers, 1984). CBGD:Trần Ngọc Châu 15 Báo cáo Mô hình hóa CBGD:Trần Ngọc Châu Nhóm 1 16 Báo cáo Mô hình hóa Nhóm 1 Hình 2.7 : Sự biến thiên nhiệt độ theo chiều sâu của các mô phỏng và dự báo. (a) Kịch bản hiệu chuẩn, (b) Dự báo kịch bản FS1, và (c) Dự báo kịch bản FS2. Hình 2.8 : Sự biến thiên nhiệt độ trong khu vực phú dưỡng trong các mô phỏng. Hình 2.9 : Sự biến thiên nồng độ photpho trong các mô phỏng CBGD:Trần Ngọc Châu 17 Báo cáo Mô hình hóa Nhóm 1  Kết luận Trong bài báo này được sử dụng mô hình mô phỏng theo chiều thẳng đứng để đánh giá sự hình thành của một hồ bơi chứa một phần Đông Bắc của Brazil. Lựa chọn thay thế đập hoạt động khác nhau được điều tra. Các kịch bản mô phỏng chỉ ra rằng chất lượng nước tại hồ chứa Pirapama được liên kết với tải lượng chất hữu cơ và vô cơ. Hệ thống này không có khả năng phục hồi từ thượng nguồn của chính nó. Khả năng thiếu oxy đã được quan sát ngay ở thượng nguồn kết hợp với những kinh nghiệm đã nghiên cứu tương tự (COMPESA năm 2000). Các tùy chọn bơm nước bằng cách sử dụng ống dẫn (mô phỏng FS1), thực tế tình hình sử dụng để hiệu chỉnh mô hình không mang lại nhiều lợi thế để cải thiện chất lượng nước trong hồ chứa. Lựa chọn giữa hai lựa chọn thay thế này phải xem xét vệ sinh, nguy cơ sức khỏe cộng đồng và chi phí liên quan để xử lý nước. Kết quả cũng cho thấy rằng việc sử dụng các ống dẫn ở dưới là cách hợp lý để giảm thiểu tác động đến chất lượng nước trong hồ chứa. Các giải pháp thu được cho kịch bản FS2 dự báo cho thấy giảm sự phân tầng nhiệt, sự xáo trộn của nước theo chiều sâu. Tuy nhiên, về tiêu chuẩn chất lượng nước cũng thỏa mãn nhu cầu. Vì vậy, những ống dẫn phải được lắp đặt đúng địa điểm và thời gian. CBGD:Trần Ngọc Châu 18 Báo cáo Mô hình hóa Nhóm 1 Hình 2.10: Sự biến thiên độ dày của lớp oxy trong các mô phỏng. (a) Hiệu chỉnh kịch bản, (b) Dự báo kịch bản FS1, và (c) Dự báo kịch bản FS2. 2.2.2 NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG MÔ HÌNH WASP MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỒ DẦU TIẾNG (TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 12, SỐ 02 – 2009) TÓM TẮT: Dựa vào một số điểm đo rời rạc theo không gian và thời gian, những nhà quản lý môi trường cần đến các mô hình để tái tạo các quá trình tự nhiên xảy ra trong môi trường ở một khoảng thời gian nào đó, chúng là phương tiện để nhận thông tin về tình trạng có thể có của môi trường khi chịu tác động lớn từ phía con người. Bài báo này trình bày tóm tắt các nghiên cứu bước đầu về khả năng áp dụng mô hình WASP (Water Quality Analysis Simulation Program) được phát triển bởi USEPA để mô phỏng chất lượng nước hồ Dầu Tiếng. Kết quả cho thấy mô hình WASP hoàn toàn có khả năng sử dụng để mô phỏng diễn biến chất lượng nước hồ. Để nâng cao hiệu quả sử dụng mô hình và độ chính xác của các mô phỏng thì các dữ liệu đầu vào của mô hình, đặc biệt là mô phỏng sự phân tầng và dòng chảy trong hồ là các yếu tố quan trọng cần nghiên cứu thêm. ĐẶT VẤN ĐỀ Hồ Dầu Tiếng, là hồ chứa thứ tư có diện tích trên 10.000 ha của Việt Nam và là công trình thủy lợi lớn nhất ở Việt Nam bắt đầu vận hành năm 1985. Hồ có tổng diện tích nước mặt là 270 km2 và diện tích lưu vực 2.700 km2. Nằm ở thượng lưu sông Sài Gòn, hồ chứa Dầu Tiếng đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc dự trữ cung cấp nước ngọt, điều hoà môi trường thuỷ lực, điều tiết lũ ở hạ lưu, kiểm soát mặn ở hạ lưu, nuôi trồng thuỷ sản, du lịch và bảo tồn sinh thái, liên quan đến đời sống hàng triệu dân các tỉnh Tây Ninh, Bình Dương, Bình Phước và Thành phố Hồ Chí Minh. Tuy nhiên cho đến nay, công tác quản lý chất lượng nước ở hồ Dầu Tiếng vẫn chưa được quan tâm đúng mức. Hơn nữa, công tác quản lý và dự báo chất lượng nước hồ CBGD:Trần Ngọc Châu 19 Báo cáo Mô hình hóa Nhóm 1 lại hoàn toàn bị bỏ ngỏ. Chưa có một đề tài nào nghiên cứu khả năng ứng dụng của công cụ mô hình hoá vào mô phỏng, đánh giá cũng như dự báo chất lượng nước ở hồ DT. Chương trình mô phỏng phân tích chất lượng nước WASP (Water Quality Analysis Simulation Program) của USEPA đã được ứng dụng nhiều trên thế giới. Các ứng dụng điển hình của mô hình WASP được biết đến như: nghiên cứu về phú dưỡng vịnh Tampa; phú dưỡng ở cửa sông Neuse, sông Potomac; phú dưỡng ở các hồ chứa và sông Coosa; nghiên cứu ô nhiễm PCB trên hệ thống hồ Greak, ô nhiễm chất hữu cơ dễ bay hơi ở cửa sông Delaware, ô nhiễm kim loại nặng ở sông Deep, ô nhiễm thuỷ ngân trên sông Savannah… Ở Việt Nam, việc ứng dụng công cụ mô hình hoá vào quản lý chất lượng nước cũng đã thực hiện không ít, nhưng chủ yếu là với chất lượng nước sông và kênh rạch. Điều này không ngoại trừ với mô hình WASP. Vấn đề đặt ra là trong điều kiện hồ Dầu Tiếng, mô hình WASP liệu có khả năng áp dụng để mô phỏng chất lượng nước hồ được hay không, nhất là trong tình trạng hiện nay chất lượng nước hồ Dầu Tiếng đang suy giảm và đặc biệt là đang chịu tác động bởi nhiều hoạt động của con người như nuôi cá bè, sử dụng đất gây xói mòn thượng nguồn lưu vực, khai thác cát… ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu Hồ chứa nước Dầu Tiếng (hồ DT) được xây dựng ở thượng lưu sông Sài Gòn, nằm trên địa phận tỉnh Tây Ninh và Bình Dương, trải dài từ 11o12’ tới 12o00’ vĩ độ Bắc và từ 106o10’ đến 106o30’ kinh độ Đông, cách TP HCM khoảng 100km theo đường liên tỉnh. Mực nước dâng bình thường ở hồ DT ở cao trình +24,4m và mực nước chết ở cao trình +17,0m. Tổng lượng dòng chảy dao động từ 1.680 triệu m3 đến 470 triệu m3 tương ứng với mực nước ở cao trình +24,4m và +17m. Diện tích mặt hồ khoảng 264 km2 ứng với mực nước +24,4m và khoảng 120km2 ứng với mực nước +17,0m. Thời gian lưu nước là 350 ngày, dài 28 km, độ dốc đáy 0.25, Chỉ số SDI là 0.48. Lưu lượng bình quân 62.24m3/s qua 3 nhánh chính: Tống Lê Chân, Tha La và Suối Ngô. Nhánh Tống Lê Chân có diện tích lưu vực lớn nhất với 1.534km2, đóng góp 78% tổng lưu lượng vào hồ, tiếp nhận phần lớn lượng phù sa đổ vào hồ. Hiện tại hồ Dầu Tiếng chưa có một trạm quan trắc nào dành cho việc đánh giá chất lượng nước hồ, cũng chưa có một chính sách, công cụ nào để quản lý chất lượng nguồn nước. Việc đo đạc chất lượng nước có triển khai (do Công ty Khai thác thuỷ lợi Dầu Tiếng thực hiện) nhưng chỉ chú trọng vào giám sát bồi lắng hồ và thực hiện gần đây nhất theo đề tài nghiên cứu đánh giá chất lượng nước và phú dưỡng hồ. Kết quả đánh giá cho thấy chất lượng nước hồ có suy giảm vào năm 2005- 2006, ở mức độ tiền phú dưỡng, do các hoạt động chủ yếu như liệt kê ở Bảng 2.5. CBGD:Trần Ngọc Châu 20