Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán và gis đánh giá chất lượng nước sông vàm cỏ phục vụ công tác quản lý

LỜI CÁM ƠN TÓM TẮT Huyện Cần Đước thuộc địa phận tỉnh Long An nằm ở phía hạ lưu của lưu vực sông Vàm Cỏ hiện đang hứng chịu ô nhiễm từ các hoạt động công nghiệp và sinh hoạt đô thị của tất cả địa bàn phía thượng lưu và có xu hướng diễn biến xấu đi về chất lượng nước, ảnh hưởng đến đời sống và đe dọa trực tiếp đến nhu cầu cấp nước của người dân sống dọc lưu vực sông. Đứng trước tình hình trên, việc thực hiện một chương trình nghiên cứu bài bản, thực sự nghiêm túc, có cơ sở khoa học và thực tiễn để xác định được các nguyên nhân gây ô nhiễm là hết sức cần thiết. Để có thể đề xuất các giải pháp tổng hợp và khả thi để bảo vệ nguồn nước sông Vàm Cỏ Đông phục vụ an toàn cho cấp nước đồng thời phục vụ cho các mục đích quản lý môi trường địa bàn Huyện Cần Đước cũng như phát triển bền vững trên toàn lưu vực sông cần phải áp dụng nhiều phương pháp khác nhau trong đó có phương pháp mô hình hóa và GIS. Đề tài đã bước đầu ứng dụng QUAL2K và MIKE 11 để mô phỏng chất lượng nước sông Vàm Cỏ Đông và đề xuất một số biện pháp quản lý lưu vực sông hợp lý hơn trong thời gian tới. Tính toán được thực hiện dựa trên theo các kịch bản phát triển kinh tế xã hội khác nhau cho phép làm sáng tỏ vai trò khác nhau của các vị trí thải, yếu tố thuỷ văn từ đó có thể đưa ra các biện pháp ngăn ngừa ở tầm vĩ mô. So sánh bước đầu kết quả tính toán bằng mô hình và số liệu thực cho thấy hai mô hình cho độ tin cậy khá cao, nhất là khi ứng dụng cho vùng sông chịu ảnh hưởng mạnh của triều. Kết quả này sẽ được áp dụng trong việc tính toán lan truyền chất ô nhiễm cho sông Vàm Cỏ Đông nhằm phục vụ giám sát và quản lý môi trường nước sông. ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ENVIM ENVIMAP GIS HTTTMT BQL KTTĐPN ENVironmental Information Management software – phần mềm quản lý môi trường (ENVironmental Information Management and Air Pollution estimation) Geographic Information System – Hệ thống thông tin địa lý Hệ thống thông tin môi trường Ban quản lý Vùng kinh tế trọng điểm phía Nam KCN Khu công nghiệp CSSX Cơ sở sản xuất KKT Khu kinh tế iii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2-1. Các module cơ bản trong khối xử lý bản đồ số trong ENVIM ...............................23 Bảng 2-2. Mô tả các chức năng quản lý các đối tượng thông tin địa lý trong ENVIM............24 Bảng 3-1. Các đơn vị hành chính của huyện Cần Đước (năm 2006). .....................................31 Bảng 3-2. Phân loại và thống kê diện tích các loại đất của huyện...........................................40 Bảng 3-3. Thống kê tình hình sử dụng đất đến năm 2005 và quy hoạch sử dụng đất đến năm 2010, định hướng đến năm 2020 tại huyện Cần Đước............................................................46 Bảng 3-4. Các vị trí lấy mẫu quan trắc trên sông Vàm Cỏ Đông. ...........................................64 Bảng 3-5. : Các vị trí lấy mẫu quan trắc nước thải từ 10 KCN và 3 vị trí gần chợ cá Tân An. 73 Bảng 3-6. Chỉ tiêu và phưong pháp lấy mẫu được áp dụng ....................................................87 Bảng 4-1. Danh mục các nguồn thải đổ vào Sông Vàm Cỏ Đông ........................................100 Bảng 4-2. Các khu dân sống dọc theo Sông Vàm Cỏ Đông .................................................104 Bảng 4-3. Danh sách nhà máy, khu công nghiệp xả thải xuống sông Vàm Cỏ Đông ............105 Bảng 4-4. Danh mục các vị trí được lựa chọn trên sông Vàm Cỏ Đông ...............................106 Bảng 4-5. Thông số chất lượng nước thượng nguồn ............................................................107 Bảng 4-6. Thông số tỷ lệ thất thoát và bị phân hủy ..............................................................108 Bảng 4-7. Tải trọng chất bẩn (hệ số phát thải chất ô nhiễm) tính theo đầu người..................108 Bảng 4-8. Hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm trên bể tự hoại hoặc công trình tương tự ...........109 Bảng 4-9. Chi tiết kịch bản 1 và 2 .......................................................................................110 Bảng 4-10. Chi tiết kịch bản 3 và 4......................................................................................111 Bảng 4-11. Các kịch bản phát triển kinh tế xã hội lưu vực sông Vàm Cỏ Đông ...................111 Bảng 4-12. Mức thải trung bình công nghiệp (m3/ha.ngày)..................................................112 Bảng 4-13. Nồng độ chất thải công nghiệp ..........................................................................112 Bảng 4-14. Lưu lượng thải kênh rạch ..................................................................................120 Bảng 4-15. Số liệu nguồn thải kênh rạch .............................................................................121 Bảng 4-16. Danh sách điểm nhạy cảm.................................................................................139 iv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2-1. Xu thế phát triển công nghệ GIS hiện tại và tương lai gần .....................................16 Hình 2-2. Công nghệ tích hợp ENVIM..................................................................................18 Hình 2-3. Mô hình lý luận của ENVIM .................................................................................19 Hình 2-4. Sơ đồ hoạt động Khối Môi trường trong công nghệ ENVIM..................................21 Hình 2-5. Sơ đồ tích hợp mô hình toán môi trường trong ENVIM .........................................25 Hình 2-6. Tạo lớp bờ sông bằng phần mềm Mapinfo.............................................................27 Hình 2-7. Các bước chuyển đổi dữ liệu không gian sang format của ENVIM ........................28 Hình 2-8. Xây dựng kịch bản tính toán cho QUAL2K ...........................................................29 Hình 2-9. Dữ liệu môi trường kết hợp mô hình toán và dữ liệu không gian thể hiện chất lượng nước......................................................................................................................................29 Hình 3-1. Bản đồ địa giới hành chính huyện Cần Đước, Long An .........................................33 Hình 3-2. Sơ đồ các điểm lấy mẫu quan trắc trên Sông Vàm Cỏ ............................................66 Hình 3-3. Đồ thị thể hiện diễn biến độ pH trên Sông Vàm Cỏ Đông ......................................67 Hình 3-4. Đồ thị thể hiện diễn biến hàm lượng DO trên Sông Vàm Cỏ Đông ........................68 Hình 3-5. Đồ thị thể hiện diễn biến hàm lượng SS trên Sông Vàm Cỏ Đông..........................68 Hình 3-6. Đồ thị thể hiện diễn biến hàm lượng BOD trên Sông Vàm Cỏ Đông......................70 Hình 3-7. Đồ thị thể hiện diễn biến hàm lượng COD trên Sông Vàm Cỏ Đông......................71 Hình 3-8. Sơ đồ các vị trí lấy mẫu quan trắc KCN – Chợ trên địa bàn Tỉnh Long An ............74 Hình 3-9. Đồ thị thể hiện diễn biến độ pH khu vực KCN – chợ tỉnh Long An .......................75 Hình 3-10. Đồ thị thể hiện diễn biến độ pH khu vực KCN – chợ tỉnh Long An......................75 Hình 3-11. Đồ thị thể hiện diễn biến độ pH khu vực KCN – chợ tỉnh Long An......................76 Hình 3-12. Đồ thị thể hiện diễn biến COD khu vực KCN – chợ tỉnh Long An ......................77 Hình 3-13. Đồ thị thể hiện diễn biến tổng Nitơ khu vực KCN – chợ tỉnh Long An ................78 Hình 3-14. Đồ thị thể hiện diễn biến tổng Photpho khu vực KCN – chợ tỉnh Long An ..........78 Hình 3-15. Tóm tắt các bước thực hiện Luận văn ..................................................................84 Hình 3-16. Sơ đồ lấy mẫu trên lưu vực sông Vàm Cỏ Đông, tại Cần Đước............................87 Hình 3-17. Giao diện của Google Earth.................................................................................89 Hình 3-18. Ảnh vệ tinh khu vực sông Vàm Cỏ Đông............................................................90 Hình 3-19. Các bước kết nối dữ liệu không gian với QUAL2K .............................................94 Hình 3-20. Các lớp bản đồ nền Tỉnh Long An .......................................................................95 v Hình 3-21. Các lớp bản đồ nền Huyện Cần Đước. .................................................................95 Hình 3-22. Trang mở đầu phần mềm kết nối dữ liệu không gian với QUAL2K .....................96 Hình 3-23. Dữ liệu không gian đã được tích hợp với QUAL2K thông qua ENVIM ..............96 Hình 3-24. Sơ đồ tự động hóa tính toán lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm do sinh hoạt ......97 Hình 3-25. Sơ đồ tự động hóa tính toán lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm do nguồn công nghiệp ...................................................................................................................................97 Hình 3-26. Sơ đồ tự động hóa tính toán lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm do nguồn phân tán .............................................................................................................................................98 Hình 3-27. Sơ đồ tự động hóa tính toán lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm do kênh rạch .....98 Hình 4-1. Vị trí các nguồn thải trên sông Vàm Cỏ Đông trong phạm vi xem xét của đề tài .100 Hình 4-2. Giao diện vận hành mô hình trong ENVIMQ2K..................................................128 Hình 4-3. Giao diện lựa chọn nguồn thải để tính toán ..........................................................128 Hình 4-4. Bảng tổng hợp kết quả tính toán ..........................................................................129 Hình 4-5. Thông tin khu công nghiệp tương ứng với kịch bản 1 ..........................................129 Hình 4-6. Thông tin kênh rạch tương ứng với kịch bản 1.....................................................130 Hình 4-7. Thông tin khu dân cư tương ứng với kịch bản 1...................................................130 Hình 4-8. Kết quả xuất ra của mô hình ENVIMQ2K ...........................................................131 Hình 4-9. Bản đồ phân bố Chất rắn lơ lửng (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 1)............132 Hình 4-10. Bản đồ phân bố BOD5 (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 1)..........................132 Hình 4-11.Bản đồ phân bố Chất rắn lơ lửng (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 2)...........133 Hình 4-12. Bản đồ phân bố BOD5 (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 2)..........................133 Hình 4-13. Bản đồ phân bố DO (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 2) .............................134 Hình 4-14. Bản đồ phân bố Nitơ hữu cơ (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 2) ................134 Hình 4-15.Bản đồ phân bố Chất rắn lơ lửng (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 3)...........135 Hình 4-16. Bản đồ phân bố BOD5 (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 3)..........................135 Hình 4-17. Bản đồ phân bố DO (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 3) .............................136 Hình 4-18. Bản đồ phân bố Nitơ hữu cơ (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 3) ................136 Hình 4-19. Bản đồ phân bố Chất rắn lơ lửng (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 4)..........137 Hình 4-20. Bản đồ phân bố BOD5 (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 4)..........................137 Hình 4-21. Bản đồ phân bố DO (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 4) .............................138 Hình 4-22. Bản đồ phân bố Nitơ hữu cơ (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 4) ................138 Hình 4-23. Nồng độ BOD tại điểm nhạy cảm vào mùa khô theo kịch bản...........................140 vi Hình 4-24. Nồng độ BOD tại điểm nhạy cảm vào mùa mưa theo kịch bản...........................140 Hình 4-25. Nồng độ TSS tại điểm nhạy cảm vào mùa khô theo kịch bản ............................140 Hình 4-26. Nồng độ TSS tại điểm nhạy cảm vào mùa mưa theo kịch bản ............................140 Hình 4-27. Nồng độ DO tại điểm nhạy cảm vào mùa khô theo kịch bản .............................140 Hình 4-28. Nồng độ DO tại điểm nhạy cảm vào mùa mưa theo kịch bản .............................140 vii MỤC LỤC CHƯƠNG 1................................................................................................................ 1 1. MỞ ĐẦU............................................................................................................. 1 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ................................................................. 1 1.2. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI.............................................................................. 4 1.3. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI............................................................................. 4 1.4. CÁC NỘI DUNG THỰC HIỆN .................................................................... 4 CHƯƠNG 2................................................................................................................ 6 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU................................................................................... 6 2.1. CÁC MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC ...................................................... 6 2.2. XỬ LÝ DỮ LIỆU KHÔNG GIAN VÀ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN .................. 12 2.3. CÔNG NGHỆ LIÊN KẾT MÔ HÌNH MÔI TRƯỜNG VỚI GIS ................ 17 2.4. TÍCH HỢP DỮ LIỆU KHÔNG GIAN VỚI MÔ HÌNH QUAL2K .............. 27 CHƯƠNG 3.............................................................................................................. 31 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................... 31 3.1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN HUYỆN CẦN ĐƯỚC............ 31 3.2. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KIỆN KINH TẾ XÃ HỘI HUYỆN CẦN ĐƯỚC 54 3.3. HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG VÀM CỎ HUYỆN CẦN ĐƯỚC TRONG NHỮNG NĂM GẦN ĐÂY.................................. 63 3.4. HIỆN TRẠNG CÔNG TÁC QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG NƯỚC MẶT SÔNG VÀM CỎ - HUYỆN CẦN ĐƯỚC ......................................................................... 79 3.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................................................ 83 CHƯƠNG 4.............................................................................................................. 99 viii 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN................................................ 99 4.1. MÔ TẢ KỊCH BẢN ...................................................................................100 4.2. KẾT QUẢ CHẠY MÔ HÌNH QUAL2K ....................................................131 4.3. THẢO LUẬN.............................................................................................141 CHƯƠNG 5.............................................................................................................144 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.........................................................................144 ix CHƯƠNG 1 1. MỞ ĐẦU 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Huyện Cần Đước cách Tp. Hồ Chí Minh 30 km về phía Nam và cách Thị xã Tân An 45 km về phía Đông, nằm kẹp giữa sông Vàm Cỏ và sông Rạch Cát tiếp giáp với cửa Soài Rạp thông ra biển Đông và nằm trong vùng kinh tế trọng điểm phía Nam của tỉnh, liền kề với những KCN lớn của Tp. Hồ Chí Minh và Long An như : KCN Bến Lức, KCN Soài Rạp, KCN Hiệp Phước,… Ở một vị trí như vậy, huyện Cần Đước có những lợi thế như sau : Huyện Cần Đước là cửa ngõ giao thông giữa Tp. Hồ Chí Minh với các tỉnh miền Đông Nam Bộ và miền Tây Nam Bộ, với sự giao lưu thuận tiện bằng các tuyến giao thông quan trọng như quốc lộ 50, tỉnh lộ 826, 835 chạy qua, cộng với hệ thống giao thông đường thủy qua kênh Nước mặn, sông Vàm Cỏ, cửa Soài Rạp và sông Nhà Bè. Trong tương lai sẽ xây dựng tuyến đường tắt quốc lộ 50 Cần Đước (Long An) – Chợ Gạo (Tiền Giang) là trục giao thông quan trọng cho phát triển kinh tế của huyện. Hệ thống Sông Vàm Cỏ đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế xã hội, lưu thông vận chuyển hàng hóa trên địa bàn Huyện Cần Đước. Người dân sống trên lưu vực chủ yếu dựa vào các nghề truyền thống như nông nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, chăn nuôi gia súc, gia cầm, nuôi trồng thủy sản, dệt nhuộm và phát triển công nghiệp. Vì vậy việc khai thác và sử dụng nguồn nước trên địa bàn đều ảnh hưởng đến môi trường xung quanh khu vực. Hiện nay sông Vàm Cỏ đang được quan tâm đặc biệt bởi những diễn biến có xu hướng xấu đi về chất lượng nước của dòng sông đe dọa nghiêm trọng đến đời sống xã 1 hội và trước hết đe dọa trực tiếp về nhu cầu cấp nước cho cụm dân cư thuộc tỉnh Long An, giáp giới với thành phố Hồ Chí Minh. Đã có nhiều đề tài khoa học các cấp, nhiều Luận văn đại học, cao học nghiên cứu về con sông này. Kết quả của các nghiên cứu trên cho thấy đã đến lúc cần phải thực hiện một chương trình nghiên cứu bài bản và thực sự nghiêm túc, có cơ sở khoa học và thực tiễn xác định chính xác được các nguyên nhân gây ô nhiễm và mục tiêu cuối cùng cần phải đạt được là xây dựng kịch bản phát triển bền vững cho lưu vực sông Vàm Cỏ. Để có thể đề xuất các giải pháp tổng hợp và khả thi để bảo vệ nguồn nước sông Vàm Cỏ phục vụ an toàn cho cấp nước đồng thời phục vụ cho các mục đích phát triển bền vững trên toàn lưu vực sông cần phải áp dụng nhiều phương pháp khác nhau như mô hình hóa, GIS, kết hợp với đo đạc thực địa để lấy số liệu. Tính phức tạp của bài toán ở đây là ở chỗ sông Vàm Cỏ trải rất dài và đi qua nhiều cụm dân cư, các khu công nghiệp cũng như có nhiều nguồn kênh rạch đổ vào do vậy từng phương pháp riêng rẽ ở trên dù có mạnh tới đâu cũng không thể cho một bức tranh tổng thể. Chính vì vậy nghiên cứu kết hợp GIS, mô hình toán và các dữ liệu thu thập được thành một công nghệ tích hợp giúp các nhà quản lý có thể ra được các quyết định có cơ sở vẫn còn là một bài toán cần nghiên cứu trong khuôn khổ bài toán bảo vệ môi trường và phát triển bền vững đối với sông Vàm Cỏ. Trước tình hình đó đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán và GIS đánh giá chất lượng nước sông Vàm Cỏ phục vụ công tác quản lý môi trường Huyện Cần Đước – tỉnh Long An” được đưa ra nhằm ứng dụng phương pháp tích hợp mô hình, GIS vào cơ sở dữ liệu (CSDL) môi trường phục vụ công tác quản lý môi trường trong việc đánh giá và dự báo ô nhiễm nước sông trong thời gian sắp tới. Các vấn đề thể hiện tính cấp thiết của đề tài bao gồm: a. Đáp ứng trước nhu cầu phát triển kinh tế xã hội 2 - Tốc độ phát triển vượt bậc của các tỉnh thuộc khu vực giáp ranh với Tp. Hồ Chí Minh như Long An. - Mức độ công nghiệp hóa, đô thị hóa tại các tỉnh trong lưu vực Sông Vàm Cỏ ngày càng nhanh chóng. - Trang bị, nâng cấp hạ tầng cơ sở lưu trữ thông tin trước nhu cầu phát triển vượt bậc của thế giới. - Đảm bảo mức độ tin cậy của thông tin, dữ liệu trong việc hỗ trợ công tác xây dựng chính sách, quyết định liên quan đến môi trường. b. Để phát triển bền vững cần phải lưu ý giải quyết các bài toán sau đối với sông Vàm Cỏ 1. Xác định chính xác về các nguyên nhân gây ô nhiễm đặc thù nguồn nước sông Vàm Cỏ ảnh hưởng trực tiếp đến mục đích cấp nước. Việc ô nhiễm này rõ ràng liên quan chặt chẽ đến việc xả thải nước thải sinh hoạt từ khu dân cư và từ nước thải của hoạt động công nghiệp dọc sông Vàm Cỏ, từ nuôi trồng thủy sản trên sông… Từ đó cho thấy, việc xử lý nước thải từ nguồn đạt tiêu chuẩn quy định có ý nghĩa quyết định đến việc bảo vệ chất lượng của nguồn tiếp nhận - sông Vàm Cỏ. 2. Về lâu dài cần đánh giá được hiện trạng và dự báo diễn biến ô nhiễm nước sông Vàm Cỏ trong những năm tới đến 2015 và định hướng đến 2020 - để làm việc này cần thiết điều tra, khảo sát đồng bộ về nguồn xả nước thải, tải lượng nước thải vào sông Vàm Cỏ. 3. Đánh giá quá trình phát triển kinh tế - xã hội trên lưu vực sông Sài Gòn tác động và ảnh hưởng đến chất lượng nước sông Vàm Cỏ, điều chỉnh hợp lý kế hoạch phát triển kinh tế - xã hội trong những năm tới. 3 4. Ứng dụng mô hình toán quản lý chất lượng nước sông Vàm Cỏ với các mô hình toán lựa chọn thích hợp trong điều kiện cụ thể của sông Vàm Cỏ (như QUAL2K, MIKE...) 1.2. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI 1. Kết hợp giữa hệ thống thông tin môi trường và dữ liệu môi trường để nâng cao hiệu quả quản lý môi trường. 2. Sản phẩm tạo ra có thể ứng dụng trong thực tế, giúp cơ quan quản lý môi trường Huyện Cần Đước có thể kiểm soát, đánh giá và dự báo được mức độ ô nhiễm nước Sông Vàm Cỏ trong thời gian dài. 1.3. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 1. Đánh giá hiện trạng chất lượng nước sông Vàm Cỏ; 2. Ứng dụng mô hình toán dự báo diễn biến chất lượng nước sông Vàm Cỏ từ nay đến năm 2010 –hướng đến năm 2020 dưới những áp lực kinh tế - xã hội và môi trường. 1.4. CÁC NỘI DUNG THỰC HIỆN − Khái quát một số đặc trưng, tổng quan về điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội Huyện Cần Đước – Tỉnh Long An. − Thu thập, đo đạc, phân tích số liệu liên quan đến chất lượng nước sông Vàm Cỏ. Làm rõ các nguồn xả thải từ các khu công nghiệp và cơ sở sản xuất, sinh hoạt vào khúc sông được xem xét. − Xây dựng mô hình cơ sở dữ liệu quản lý ô nhiễm nguồn nước mặt sông Vàm Cỏ. 4 − Tính toán dự báo nhu cầu phát thải dựa trên qui hoạch phát triển kinh tế-xã hội huyện Cần Đước đến năm 2020. − Ứng dụng các mô hình chất lượng nước (Qual2k, Mike 11), tính toán dự báo ô nhiễm nước mặt Sông Vàm Cỏ. − Biểu diễn kết quả chạy mô hình với kỹ thuật Geoinformatics. − Đề xuất chương trình quan trắc, giám sát, dự báo phục vụ công tác quản lý chất lượng môi trường. 5 CHƯƠNG 2 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU Mô hình hóa với sự trợ giúp của công nghệ GIS trong thời đại ngày nay đã trở thành một công cụ rất mạnh để nghiên cứu và quản lý môi trường. Ứng dụng các mô hình môi trường và GIS đã mở ra những chân trời mới để giải quyết nhiều bài toán về môi trường, trong đó có bài toán mô phỏng chất lượng nước kênh sông. Sự lan truyền các chất ô nhiễm trên kênh sông diễn ra trên một phạm vi rộng lớn. Ngay cả những nơi cách xa nguồn thải vẫn có thể chịu ảnh hưởng và có thể gây ra tổn thất nặng nề. Vấn đề được quan tâm nhiều nhất là: − Mối liên hệ giữa mức xả thải ở thượng nguồn với mức ô nhiễm tại các vùng hạ lưu ? − Vấn đề tích hợp mô hình toán với GIS tạo thành công cụ mô phỏng chất lượng nước kênh sông được thực hiện như thế nào ? Việc giải đáp hai câu hỏi trên sẽ giúp cho các nhà quản lý giảm thiểu mức độ ô nhiễm đến mức cho phép. Bởi vì xử lý ô nhiễm là quá trình tốn kém, mặt khác cũng không thể không sản xuất và xả thải vì vậy làm thế nào để giảm thiểu ô nhiễm đến mức cần thiết là một bài toán mang ý nghĩa thực tiễn quan trọng. Các mô hình toán mô phỏng chất lượng nước trên kênh sông là những công cụ không thể thiếu để giải quyết các bài toán được phác họa ở trên. Phần dưới đây trình bày tổng quan các tài liệu liên quan tới Luận văn: ứng dụng mô hình mô phỏng chất lượng nước kênh sông, GIS và vấn đề tích hợp GIS với mô hình toán. 2.1. CÁC MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC Hiện nay, các tính toán quá trình truyền các chất ô nhiễm có ý nghĩa lớn đối với việc lập kế hoạch và phát triển hệ thống bảo vệ nước. Tuy nhiên, việc tính toán mô phỏng các quá trình trong không gian rộng lớn và thời gian tương đối dài phần lớn 6 trường hợp là không thể thực hiện được bằng tay vì tính phức tạp cồng kềnh. Hơn nữa số lượng tham số và phương trình mô tả rất lớn khiến việc tìm kiếm lời giải gặp nhiều khó khăn. Đây là lý do rất nhiều công cụ mạnh ra đời cho phép tự động hoá tính toán. Dưới đây là một số mô hình chất lượng nước được sử dụng rộng rãi trong bài toán bảo vệ môi trường. QUAL2E do Brown và Barnwell xây dựng năm 1987, QUAL2K là bản cải tiến ra đời 3/2006. Những công trình đầu tiên về QUAL2 được trình bày trong tài liệu Qual I & II, Stream Water Quality, Texas Water Development Board, Environmental Protection Agency; (1971, 1973) và sau này được trình bày trong công trình Qual2E, Enhanced Stream Water Quality Model; EPA, Center for Exposure Assessment Modeling (1985). QUAL2E-UNCAS là một phiên bản nâng cao của QUAL2E nó cung cấp những khả năng để phân tích tính không chắc chắn. Sự ra đời của QUAL2E đã thúc đẩy nghiên cứu ứng dụng các công cụ mô hình trong bài toán mô phỏng chất lượng nước cho hệ thống kênh sông. QUAL2K là phiên bản mới nhất ra đời vào tháng 3/2006. Mô hình QUAL2K là mô hình chất lượng nước sông tổng hợp và toàn diện được phát triển do sự hợp tác giữa trường Đại Học Tufts University và Trung tâm mô hình chất lượng nước của Cục Môi Trường Mỹ. Mô hình này được sử dụng rộng rãi để dự đoán hàm lượng tải trọng của các chất thải cho phép thải vào sông. Mô hình cho phép mô phỏng 15 thành phần thông số chất lượng nước sông bao gồm nhiệt độ, BOD5,DO, tảo dưới dạng chlorophyl, nitơ hữu cơ (Norg), nitrit ( N-NO2), nitrat (N-NO3), phốt pho hữu cơ (Porg), phốt pho hoà tan, coliform và 3 thông số khác ít biến đổi trong nước. /nguồn [44]/. Mô hình có thể áp dụng cho các sông nhánh xáo trộn hoàn toàn. Với giả thiết rằng cơ chế vận chuyển chính của dòng là lan truyền và phân tán dọc theo hướng chính của dòng (trục chiều dài của dòng và kênh). Mô hình cho phép tính toán với nhiều nguồn thải, các điểm lấy nước cấp, các nhánh phụ và các dòng thêm vào và lấy ra. Mô 7 hình QUAL2E cũng có thể tính toán lưu lượng cần thiết thêm vào để đạt được giá trị ôxy hoà tan theo tiêu chuẩn. Về mặt thuỷ lực mô hình QUAL2K có thể tính toán được ở 2 chế độ là trạng thái ổn định và trạng thái động. Ở trạng thái ổn định, mô hình có thể được sử dụng để tính toán nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng chất thải (cường độ, chất lượng và vị trí) đối với chất lượng nước sông và cũng có thể sử dụng liên kết với chương trình lấy mẫu thực địa để nhận diện các đặc tính cường độ và chất lượng của tải trọng từ các nguồn diện (non-point sources). Ở trạng thái động, mô hình QUAL2E có thể được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng do sự thay đổi khí hậu hằng ngày đối với chất lượng nước (ôxy hoà tan nhiệt độ) và cũng có thể nghiên cứu sự thay đổi oxy hoà tan hằng ngày do sự hô hấp và tăng trưởng của tảo. Từ năm 1983 Cục bảo vệ môi trường Mỹ dưới sự lãnh đạo của DiToro đã phát triển phần mềm mới có tên là WASP (Water Quality Analysis Simulation; EPA) với các phiên bản tiếp theo là: WASP4 (1988), WASP5 (1993), WASP6 (2001), WASP7 (2006). WASP7 là phiên bản nâng cấp mới nhất trong họ WASP chạy trong môi trường Windows của Bộ Chương trình mô phỏng phân tích chất lượng nước. Phiên bản WASP7 được phát triển nhằm giúp đỡ các nhà lập mô hình thực hiện Chương trình mô phỏng phân tích chất lượng nước. WASP có 3 đặc trưng như sau: phần tiền xử lý, phần xử lý dữ liệu nhanh, và phần hậu xử lý biểu diễn đồ họa giúp nhà lập mô hình sử dụng WASP nhanh hơn một cách dễ dàng, ngoài ra còn có thể đánh giá các kết quả từ mô hình dưới dạng số và đồ họa. Với WASP6 việc thực hiện chương trình có thể nhanh hơn 10 lần so với phiên bản WASP của Cục bảo vệ môi trường Mỹ trong môi trường DOS. Mặc dù WASP6 sử dụng cùng các thuật toán như WASP trong môi trường DOS. WASP7 bao gồm:1) giao diện dựa trên các cửa sổ dễ dùng, 2) một bộ tiền xử lý giúp nhà lập mô hình chuyển dữ liệu về dạng thích hợp cho WASP, các phần xử lý mô hình phú dưỡng hóa và chất hữu cơ có tốc độ cao, và 4) phần hậu xử lý – biểu diễn đồ họa để xem các kết quả của WASP và so sánh chúng với các dữ liệu thực đo. 8 Do kiến trúc được thiết kế của WASP7 làm cho người sử dụng dễ dàng phát triển các môđun động lực cho WASP. Hiện tại USEPA đang dự định phát triển mô hình phú dưỡng hóa nâng cao bao gồm thêm một số biến trạng thái: 2 nhóm tảo, độ mặn, cân bằng nhiệt đầy đủ, coliform, nhóm BOD thứ 2, mô hình chất lắng, ... Hệ thống WASP bao gồm 2 chương trình tính toán độc lập: DYNHYD và WASP6; chúng có thể chạy riêng rẽ hoặc kết hợp với nhau. Chương trình thủy động lực – DYNHYD – mô phỏng sự chuyển động của nước trong khi đó chương trình chất lượng nước – WASP – mô phỏng sự chuyển động và tương tác của các chất ô nhiễm trong nước. Ngoài DYNHYD kết hợp cùng với WASP còn có các chương trình thủy động lực khác cũng có thể được liên kết WASP. Trong đó WASP7 bao gồm 2 mô hình động lực con mô phỏng 2 nhóm chính về các vấn đề chất lượng nước: phần ô nhiễm thông thường (như ôxy hòa tan, nhu cầu ôxy sinh hóa, chất dinh dưỡng và phú dưỡng hóa) và phần ô nhiễm chất độc (như các chất hữu cơ, kim loại, và chất lắng), lần lược là EUTRO và TOXI. /nguồn [44]/ Gần đây, trong công trình [17] ứng dụng phần mềm ANSYS mô phỏng chất lượng nước trên kênh sông. ANSYS được phát triển bắt đầu từ năm 1970 do nhóm nghiên cứu của Dr.Jonh Swanson, hệ thống tính toán Swanson (Swanson Analysis System, Inc), ở tại Mỹ. Từ đó ANSYS đã nhanh chóng phát triển ra các nước khác trên thế giới như CHLB Đức, Anh, Áo, Thuỵ Sĩ, Nhật, Trung Quốc, .. .. ANSYS là phần mềm thiết kế phân tích đa chức năng uyển chuyển và đáng tin cậy. Các công cụ tính toán của nó phát triển liên tục với hệ thống các menu hỗ trợ nhập số liệu, chọn các hành động với sự trợ giúp các hộp hội thoại, các menu xổ xuống và các cửa sổ trợ giúp người sử dụng. Các phương tiện mô phỏng các thực thể là hình học lý tưởng, dựa trên kỹ thuật Spline, các phép toán Boolean … Phân tích qua chương trình ANSYS bao gồm ba giai đoạn: tiền xử lý, giải để tìm nghiệm và hậu xử lý. Trình tự các bước ứng dụng ANSYS giải bài toán lan truyền ô nhiễm gồm: 9 • Bước 1: Xác định miền bài toán Người giải cần xác định miền thích hợp cho mỗi bài toán. Xác định vị trí các điều kiện biên đã biết của bài toán • Bước 2: Xác định chế độ dòng chảy Người giải cần đánh giá các đặc trưng dòng chảy. Đặc trưng là hàm số của các thuộc tính lưu chất, hình học và trường vận tốc. Các lưu chất thông thường có tính chất biến thiên theo nhiệt độ. Dòng khí được giới hạn là khí lý tưởng. Trong nhiều trường hợp có thể nhận kết quả phù hợp với các tính chất lưu chất là hằng số. • Bước 3: tạo mạng lưới phần tử hữu hạn Ở nơi biến thiên nhanh lưới cần mịn hơn nơi biến thiên chậm. • Bước 4: đặt các điều kiện biên Điều kiện biên có thể được định nghĩa trước hay sau khi mạng lưới được tạo ra. Điều kiện biên có thể thay đổi giữa những lần khởi tạo lại, nhưng thông thường chỉ thay đổi khi có sự bất ổn trong quá trình giải. • Bước 5: thiết lập các thông số tính toán Sử dụng mô hình chảy rối hay giải phương trình nhiệt đồng thời, người sử dụng cần kích hoạt chúng các đối tượng cụ thể được thiết lập như các đặc trưng lưu chất, là 1 chức năng của bài toán. • Bước 6: Giải bài toán Người sử dụng có thể giám sát sự hội tụ và ổn định lời giải bài toán bằng cách quan sát tốc độ thay đổi lời giải và các ứng xử biến phụ thuộc thích hợp. Các biến nầy bao gồm vận tốc, áp suất và nhiệt độ, các đại lượng rối, tốc độ tiêu hao động năng, độ nhớt tương đương. • Bước 7: Phân tích kết quả Các kết quả xuất ra có thể được hậu xử lý và phân tích trong những file xuất. Người giải sử dụng khả năng đánh giá kỹ thuật của mình để phân tích kết quả, ước 10 lượng độ tin cậy của toàn bộ phép giải, cách thức và các đặc tính riêng được sử dụng và các điều kiện áp đặt. Ngày nay, MIKE được biết tới như một phần mềm thương mại nổi tiếng trong lĩnh vực quản lý tài nguyên nước. MIKE có rất nhiều module nhưng có lẽ MIKE11 đang được sử dụng nhiều hơn cả ở Việt Nam. MIKE11 – là một phần mềm đóng gói thuộc bản quyền của hãng DHI Water & Environment (DHI là cụm từ viết tắt của 3 chữ Danish Hydraulic Institute). Công ty DHI có khoảng 560 nhân viên, trong số này 35% có bằng tiến sĩ với nhiều kinh nghiệm thực hiện các dự án nghiên cứu triển khai công nghệ. DHI có trụ sở chính tại Hørsholm, Đan Mạch và văn phòng đại diện tại nhiều nước trên thế giới như Úc, Bungari, Chi lê, Trung Quốc, Pháp, Đức, Italy, Malaysia, Nauy, Tây Ban Nha, …. và gần đây là tại Thái lan và Việt Nam. MIKE11 được xây dựng cho máy tính cá nhân và từ 1996 chương trình được viết để chạy trên hệ thống Window 95/98/2000/NT. Chương trình này là sản phẩm công nghệ máy tính cao (với bộ nhớ động và CSDL). Chương trình được tích hợp rất nhiều mô hình toán được nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ trước. Việc công bố sự ra đời của MIKE 11 phiên bản 4 năm 1997 đã mở ra một bước nhảy trong việc ứng dụng rộng rãi công cụ lập mô hình thủy động lực học cho sông và kênh dẫn. Dựa trên khái niệm của MIKE Zero bao gồm: giao diện người dùng, đồ họa tích hợp trong Windows. Tuy nhiên phần tính toán trọng tâm được biết đến và đã được kiểm chứng trong các phiên bản của thế hệ trước (phiên bản cổ điển) vẫn còn được duy trì. MIKE 11 là công cụ lập mô hình động lực, một chiều và thân thiện với người sử dụng nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý và vận hành cho sông và hệ thống kênh dẫn đơn giản và phức tạp. Với môi trường đặc biệt thân thiện với người sử dụng, linh hoạt và tốc độ, MIKE 11 cung cấp một môi trường thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật công trình, tài nguyên nước, quản lý chất lượng nước và các ứng dụng quy hoạch. MIKE 11 bao gồm các module chính: 11