01/06/2021
Trong những năm gần đây, sự phát triển của các Khu công nghiệp (KCN) trên địa bàn tỉnh Nghệ An đã mang lại hiệu quả kinh tế cho địa phương, tuy nhiên cũng gây ra lượng chất thải ngày càng nhiều, gia tăng áp lực đối với công tác thu gom, xử lý. Là một trong những Khu công nghiệp (KCN) điển hình của tỉnh, KCN WHA Industrial zone 1 Nghệ An có tổng diện tích là 498ha, gồm 2 tiểu khu: Tiểu KCN 143,5ha và Tiểu KCN 354,4ha thuộc khu kinh tế Đông Nam Nghệ An. Quá trình hoạt động phát sinh một lượng nước thải tương đối lớn khoảng 17.000m3. Tiểu khu 143,5ha có công suất 9.000 m3/ngđ (nước thải của tiểu KCN 143,5ha là 9.000 m3/ngđ) với hệ số Kq=0,9, Kf=1,0 và tiểu khu 354,5ha có công suất 8.000 m3/ngđ (nước thải của tiểu KCN 143,5ha là 8.000 m3/ngđ) với hệ số Kq=0,9, Kf=0,9. Năm 2020, các nhà khoa học của Viện Vật lý đã ứng dụng mô hình Mike 21 (là mô hình thủy động lực học trong mô phỏng lan truyền các chất ô nhiễm trên sông/biển) với 2 module HD và module Eco Lab để mô phỏng 2 kịch bản lan truyền nước thải của KCN ra nguồn tiếp nhận. Đây công cụ hữu hiệu được sử dụng khá phổ biến khi nghiên cứu/dự báo các rủi ro sự cố liên quan đến tự nhiên và nhân sinh. Theo đó, một trong những loại rủi ro sự cố gây tổn hại đến môi trường và hệ sinh thái là lan truyền chất ô nhiễm trong nước khi thải ra nguồn tiếp nhận [1, 2].
Tại Việt Nam đã có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike, điển hình như: Phạm Thu Hương và nnk, ứng dụng mô hình Mike 21 FM nghiên cứu ảnh hưởng của sóng và dòng chảy đến cửa sông Đà Rằng tỉnh Phú Yên; Nguyễn Đức Vượng và nnk, áp dụng Mike làm cơ sở để kiến nghị giải pháp ổn định cửa La Gi, sông Sinh, tỉnh Bình Thuận; Trần Hồng Thái, ứng dụng mô hình MIKE 21 FM mô phỏng chất lượng nước khu vực ven biển Đình Vũ; Bùi Tá Long và nnk, mô phỏng lan truyền nhiệt bằng mô hình toán ba chiều - trường hợp nhà máy nhiệt điện tại vùng biển Đề - Gi, Bình Định [3, 4, 5, 6]. Mặc dù, các nghiên cứu có cách thức tiếp cận và xử lý dữ liệu khác nhau nhưng bước đầu đã đánh giá được mức độ, phạm vi lan truyền chất ô nhiễm thông qua phát hiện, tính toán, mô phỏng và cảnh báo.
Bài viết nghiên cứu mô phỏng về hàm lượng và khả năng lan truyền các hợp chất ô nhiễm nước thải từ KCN WHA Industrial Zone 1 Nghệ An ra sông Cấm. Kết quả nhằm định hướng xây dựng các giải pháp kỹ thuật và quản lý phù hợp để khống chế hàm lượng các hợp chất ô nhiễm và bảo vệ nguồn nước lưu vực sông Cấm.
Tiếp cận vấn đề: Có nhiều cách tiếp cận trong nghiên cứu thủy văn và môi trường. Tuy nhiên quan điểm tiếp cận tổng thể được sử dụng chính trong nghiên cứu: các biến động ô nhiễm được xem xét trong các mối quan hệ giữa tự nhiên và kinh tế - xã hội trên lưu vực sông Cấm và lân cận.
Phương pháp nghiên cứu: Các phương pháp đã được ứng dụng trong nghiên cứu là tổng hợp, thống kê; khảo sát thực địa; kế thừa; mô hình. Tuy nhiên do đây là nguồn thải chưa hình thành nên bài báo chủ yếu sử dụng phương pháp mô hình và kế thừa. Sử dụng phần mềm Mike của viện Thủy lợi Đan Mạch, kế thừa các dữ liệu đã có trước đó về điều kiện khí tượng thủy văn của khu vực phục vụ cho việc thiết lập nguồn dữ liệu đầu vào
Lựa chọn mô hình: Khi một lượng nước thải được xả ra sông Cấm, dòng chảy, sóng, gió... sẽ làm lan truyền các hợp chất ô nhiễm theo hướng dòng chảy. Vì vậy, quá trình động lực học sông đóng vai trò quan trọng trong việc phân bố, truyền tải, pha loãng nước thải từ KCN.
Có nhiều cách thức, mô hình, kỹ thuật đánh giá mức độ ô nhiễm. Đối với các nguồn thải đã hình thành, đa phần sử dụng phương pháp thực nghiệm. Tuy nhiên, khi các nguồn thải được mặc định hình thành trong tương lai thì phương pháp mô hình là phổ biến hơn cả. Có nhiều các mô hình đã được áp dụng: WASP7, AQUATOX, QUAL2K (hay Q2K), DELFT 3D, BASINS, MIKE... Mỗi một mô hình đều có nhưng ưu điểm và nhược điểm riêng, tuy nhiên cho đến nay cũng chưa có đánh giá, so sánh về khả năng áp dụng của các mô hình nói trên. Trong nghiên cứu này, lựa chọn áp dụng mô hình Mike là bộ phần mềm của viện Thủy lợi Đan Mạch được ứng dụng trong việc tính toán về thủy lực, tài nguyên và môi trường, bao gồm cả trong sông, vùng cửa sông, ven biển và biển... Bộ phần mềm này đã được ứng dụng hiệu quả trong thực tế tại nhiều quốc gia trên thế giới.
Trong bộ phần mềm Mike có chia ra làm nhiều mô hình, như Mike Zero, Mike 11, Mike 21, Mike 3, Mike She..., trong đó mô hình Mike 21 là mô hình dòng chảy mặt 2D, được ứng dụng để mô phỏng các quá trình thủy lực và các hiện tượng về môi trường trong vùng cửa sông, vùng vịnh, vùng ven bờ và vùng ven biển. Mô hình Mike 21 bao gồm các module sau:
Hydrodynamic (HD): module thủy động lực là module cơ bản nhất và là nền tảng cho quá trình tính toán của các module thủy lực khác; Transport (TR): module vận chuyển; Eco Lab (EL): module chất lượng nước; Mud Transport (MT): module vận chuyển bùn cát có cố kết; Sand Transport (ST): module vận chuyển bùn cát không cố kết.
Với các ưu điểm và module như trên, nghiên cứu lựa chọn sử dụng mô hình Mike 21 với 2 module HD và module Eco Lad để mô phỏng khả năng lan truyền chất ô nhiễm trong nước thải trên sông.
Dữ liệu đầu vào
Tài liệu, số liệu phục vụ cho mô hình trong tính toán bao gồm các số liệu về thuỷ văn, thuỷ lực được trích xuất từ Thuyết minh tính toán thủy văn thủy lực của nghiên cứu. Sử dụng số liệu mực nước tại trạm thủy văn Cửa Hội 2 do đây là trạm gần khu vực nghiên cứu nhất, thời gian đo đạc dài (>20 năm, từ năm 1965 đến nay), số liệu đáng tin cậy, thông số đo đạc tương đối đầy đủ (mực nước, lưu lượng). Vì vậy, nghiên cứu sử dụng số liệu mực nước thực đo tại trạm từ năm 1965 - 2020 là thông số đầu vào của mô hình.
Dữ liệu về chất lượng nước sông Cấm theo từng kịch bản. Trong các kịch bản được mô phỏng chất lượng nước ở đây được hiểu: nước thải qua xử lý nghĩa là đạt quy chuẩn theo cột A, QCVN 40:2011/BTNMT; nước thải chưa qua xử lý đạt yêu cầu đấu nối vào trạm XLNT tập trung của các tiểu KCN.
Dữ liệu về chất lượng nguồn tiếp nhận được lấy theo số liệu đo đạc thực tế tại sông Cấm đoạn chảy qua khu vực nghiên cứu, có so sánh đối chứng với các tài liệu khác có liên quan.
Các thông số được lựa chọn: Theo QCVN 40:2011/BTNMT, tổng số có 33 chỉ tiêu, tuy nhiên do đặc thù của Trạm XLNT tập trung chỉ xử lý một số các chỉ tiêu (theo yêu cầu nội bộ của KCN về chất lượng nước thải đấu nối vào hệ thống XLNT tập trung của KCN) sang Cột A; đồng thời do hạn chế của phương pháp mô hình không thể mô phỏng được các thông số với hàm lượng quá nhỏ, trên cơ sở dữ liệu chạy mô hình. Nghiên cứu tiếp tục lựa chọn các thông số: DO, BOD5, NH4+, NO3-, Tổng P để mô phỏng.
Xây dựng kịch bản mô phỏng
Khi KCN chính thức đi vào vận hành cả 2 tiểu khu sẽ có 2 điểm xả, khoảng cách giữa 2 điểm là 2km dọc theo sông Cấm. Theo tính toán tổng lưu lượng nước thải tiểu KCN 143,5ha 9.000 m3/ngđ, tiểu KCN 354,5 ha là 8.000 m3/ngđ. Đây là một nguồn thải tương đối lớn sẽ có những tác động nhất định đến chất lượng nước sông trong trường hợp hệ thống xử lý nước thải (XLNT) vận hành bình thường và khi có rủi ro sự cố. Như vậy sẽ có 2 kịch bản xảy ra:
Kịch bản 1: Nước thải tại cả hai tiểu khu đều chưa được xử lý đạt tiêu chuẩn.
Kịch bản 2: Nước thải ở cả hai tiểu khu đều được xử lý đạt QCVN 40:2011/BTNMT, cột A, tiểu khu 143,5ha có công suất 9.000 m3/ngđ (nước thải của tiểu KCN 143,5ha là 9.000 m3/ngđ) với hệ số Kq=0,9, Kf=1,0 và tiểu khu 354,5ha có công suất 8.000 m3/ngđ (nước thải của tiểu KCN 143,5ha là 8.000 m3/ngđ) với hệ số Kq=0,9, Kf=0,9.
Giới hạn vùng mô phỏng
Theo thuyết minh tính toán thủy văn thủy lực của nghiên cứu giới hạn đoạn sông đánh giá từ cầu Phương Tích (Km0+00) đến điểm xả thải tiểu khu 143,5ha (Km4+100), điểm xả thải tiểu khu 354,5ha (Km 6+300), đến đoạn cuối sông Cấm (Km24+00) vào mùa kiệt nước (tháng 2, 3).
- Biên trên: cầu Phương Tích đoạn Km0+00.
- Biên dưới: cuối sông Cấm đoạn Km24+00.
Hình 1. Sơ đồ mô phỏng phạm vi biên tính toán, dự báo lan truyền ô nhiễm trong nước thải của khu vực nghiên cứu
3. Kết quả và thảo luận
Trước khi áp dụng mô hình với các cơ sở dữ liệu, cũng như dự báo vùng lan truyền các chất ô nhiễm, sẽ tiến hành hiệu chỉnh và kiểm định các thông số mô hình cho phù hợp với khu vực nghiên cứu.
3.1. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
Để hiệu chỉnh mô hình, nghiên cứu sử dụng số liệu mực nước thực đo tại trạm thủy văn Cửa Hội 2 từ ngày 18-22/9/2020, hiệu chỉnh đưa ra bộ thông số của mô hình.
Để kiểm định sai số của mô hình sử dụng chỉ tiêu Nash (Nash and Sutcliffe - 1970) được xác định như sau:
Trong đó: Hi: vận tốc thực đo tại thời điểm i; : giá trị trung bình của mực nước (hoặc vận tốc) thực đo; Hci: vận tốc tính toán tại thời điểm i; N: tổng số số liệu tính toán.
Áp dụng công thức trên thu được R2=0,84 => việc hiệu chỉnh cho kết quả tương đối tốt, thông số sau khi hiệu chỉnh được sử dụng để kiểm định mô hình.
Dựa vào bộ thông số của mô hình sau khi hiệu chỉnh, sử dụng số liệu mực nước thực đo tại trạm thủy văn Cửa Hội 2 để kiểm định mô hình.
Sau khi kiểm định mô hình sử dụng chỉ tiêu Nash để kiểm định với kết quả Nash đạt R=0,85 cho thấy, bộ thông số của mô hình hoàn toàn phù hợp và sử dụng được cho các tính toán dự báo lan truyền các chất ô nhiễm của khu vực nghiên cứu.
3.2. Kết quả lan truyền ô nhiễm theo các kịch bản
* Kịch bản 1:
|
|
|
|
Hình 2a. Nồng độ DO từ điểm có nguồn thải về hạ lưu |
Hình 2b. Nồng độ DO từ điểm có nguồn thải về thượng lưu |
|
|
|
|
Hình 3a.Nồng độ BOD5 từ điểm có nguồn thải về phía hạ lưu |
Hình 3b.Nồng độ BOD5 từ điểm có nguồn thải về phía thượng lưu |
|
|
|
|
Hình 4a. Nồng độ NH4+ từ điểm có nguồn thải về phía hạ lưu |
Hình 4b. Nồng độ NH4+ từ điểm có nguồn thải về phía thượng lưu |
|
|
|
|
Hình 5a. Nồng độ NO3- từ điểm có nguồn thải về phía hạ lưu |
Hình 5b. Nồng độ NO3- từ điểm có nguồn thải về phía thượng lưu |
|
|
|
|
Hình 6b. Nồng độ tổng P từ điểm có nguồn thải về phía hạ lưu |
Hình 6c. Nồng độ tổng P từ điểm có nguồn thải về phía thượng lưu |
Nhận xét:
Đối với KB1 là trường hợp hệ thống xử lý nước thải (XLNT) của KCN hoạt động không bình thường, xảy ra các rủi ro, sự cố làm cho nước thải chưa được xử lý triệt để xả vào nguồn tiếp nhận là sông Cấm. Theo kết quả của kịch bản này chất lượng nước sông Cấm có sự biến động theo chiều hướng bất lợi. Tuy nhiên biến động không lớn do nước thải tại các Nhà máy trong KCN đã được xử lý sơ bộ đạt tiêu chuẩn đấu nối vào trạm XLNT của KCN. Các biến động nhỏ, chủ yếu diễn ra trong khoảng cách 3km tính từ nguồn thải. Sau khoảng cách từ 2,5km chất lượng nước sông dần đi vào ổn định và ở khoảng trên 3km cơ bản không nhận dạng được sự biến động của chất lượng nước sông khi có nguồn thải nhập lưu.
Cụ thể như sau:
- Hàm lượng DO ở cả thượng lưu và hạ lưu đều đạt giá trị >2, khi đối chiếu với QCVN 08-MT: 2015/BTNMT thì chỉ đạt giá trị cột B1, như vậy sẽ có ảnh hưởng bất lợi đến nhu cầu oxi của hệ động thực vật thủy sinh trong lưu vực.
- Giá trị BOD tính toán được giao động trong khoảng 7mg/l, nằm giữa giới hạn của cột A2 và B1. Như vậy khi hệ thống XLNT gặp sự cố sẽ làm suy giảm chất lượng nước sông Cấm.
- Kết quả chạy mô hình cũng cho thấy hàm lượng NH4+ giao động trong khoảng 0,18-0,19 mg/l. Tiếp tục sử dụng QCVN 08-MT:2015 quy chuẩn về chất lượng nước mặt đối với thông số NH4+ ngưỡng giới hạn quy định là 0,1mg/l đối với cột A1 và 0,2 mg/l đối với cột A2. Như vậy ở kịch bản này chỉ số NH4+ không gây tác động đáng kể đến chất lượng nước sông Cấm.
- Giá trị NO3- từ điểm xả thải tăng lên so với giá trị nền rất nhỏ khoảng: 0,006mg/l và giảm dần theo lý trình cho đến điểm cuối của đoạn sông Cấm. Tiếp tục đối chiếu với QCVN 08-MT:2015/BTNMT quy chuẩn về chất lượng nước mặt, giá trị giới hạn đạt cột A1, như vậy cơ bản không làm ảnh hưởng đến chất lượng nguồn tiếp nhận.
- Giá trị tổng P khoảng 3km đầu tiên về phía hạ lưu tăng dần, mức độ gia tăng khoảng 0,0015mg/l tại lý trình Km5+018 của đoạn sông tính toán tính từ cầu Phương Tích (km0+00), sau 3km thì giá trị tổng P đã suy giảm so với vì trí nguồn thải. Giá trị tổng P ở thượng lưu và hạ lưu đều nhỏ và nằm trong giới hạn cho phép của cột A1, QCVN 08-MT:2015/BTNMT.
* Kịch bản 2:
|
|
|
|
Hình 7a. Nồng độ DO từ điểm có nguồn thải về hạ lưu |
Hình 7b. Nồng độ DO từ điểm có nguồn thải về thượng lưu |
|
|
|
|
Hình 8a. Nồng độ BOD5 từ điểm có nguồn thải về phía hạ lưu |
Hình 8b. Nồng độ BOD5 từ điểm có nguồn thải về phía thượng lưu |
|
|
|
|
Hình 9a. Nồng độ NH4+ từ điểm có nguồn thải về phía hạ lưu |
Hình 9b. Nồng độ NH4+ từ điểm có nguồn thải về phía thượng lưu |
|
|
|
|
Hình 10a. Nồng độ NO3- từ điểm có nguồn thải về phía hạ lưu |
Hình 10b. Nồng độ NO3- từ điểm có nguồn thải về phía thượng lưu |
|
|
|
|
Hình 11a. Nồng độ tổng P từ điểm có nguồn thải về phía hạ lưu |
Hình 11b. Nồng độ tổng P từ điểm có nguồn thải về phía thượng lưu |
Nhận xét: Khi nước thải ở cả hai tiểu khu đều được xử lý đạt cột A, của QCVN 40:2011/BTNMT, hệ số Kq=0,9, Kf=0,9 về cơ bản không làm ảnh hưởng đến chất lượng nước sông. Các thông số lựa chọn đưa vào mô hình đều cho kết quả nằm dưới ngưỡng cột B1 hoặc B2 của QCVN 08-MT:2015/BTNMT.
Kịch bản 1 hàm lượng các chất ô nhiễm thải ra sông Cấm chưa được xử lý tương đối lớn so với Kịch bản 2.
Tại Kịch bản 1: nước thải chưa xử lý triệt để thải ra sông gây ô nhiễm chất hữu cơ trên sông (nước sông Cấm lúc này chỉ đạt cột A2 và B1 theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT). Nước thải sau khi thải ra sông Cấm được pha loãng với nước sông, kết hợp với khả năng tự làm sạch của sông nồng độ chất ô nhiễm giảm đi đáng kể. Tuy nhiên, nước thải trong thời gian dài sẽ làm gia tăng nồng độ chất ô nhiễm gây hại cho môi trường, giảm khả năng tự làm sạch của nguồn tiếp nhận, ảnh hưởng lớn đến chất lượng nước sông Cấm và gây tác động xấu đến các đối tượng sử dụng nước phụ vụ tưới tiêu.
Tại kịch bản 2: Nước thải xử lý đạt cột A, QCVN 40:2011/BTNMT, hệ số Kq=0,9, Kf=0,9 thì nồng độ ô nhiễm tại điểm xả thải đến thượng lưu và hạ lưu không đáng kể và nằm trong giới hạn cho phép. Tuy nhiên, theo thời gian nếu các dự án KCN phát triển thêm và với các tác động cộng hưởng từ nước thải của các KCN, nhà máy, xí nghiệp trên địa bàn thì nồng độ các chất ô nhiễm sẽ có xu hướng tăng lên và điều đó cần được các cơ quan chức năng đánh giá hiện trạng nước mặt tại sông Cấm định kỳ để có cơ sở phát triển và quy hoạch công nghiệp theo hướng bền vững.
Ở cả hai kịch bản chất lượng nước sông đều bị biến đổi chất lượng trong khoảng <3km, tính từ nguồn thải, từ 2,5km trở lên chất lượng nước sông dần ổn định và ổn định ở khoảng >3km.
Tuy nhiên, hạn chế của mô hình là chưa tính toán được trường hợp khi có các nguồn thải khác nhập lưu trong phạm vi tính toán. Theo thời gian khi các dự án KCN lân cận được quy hoạch; các hàng quán, cơ sở kinh doanh phát triển; di dân tự phát... đáp ứng các nhu cầu của KCN sẽ làm gia tăng nguồn thải đối với sông Cấm. Trong phạm vi nghiên cứu và tại mô hình này chúng tôi chưa dự báo được sự phát triển của các nguồn thải này. Để có thể dự báo chính xác cần có sự phối hợp của nhiều cơ quan chuyên môn thực hiện đánh giá hiện trạng nước mặt tại sông Cấm theo chuỗi thời gian đủ dài để có thể đưa ra nhận định chính xác về diễn biến chất lượng nước sông Cấm theo từng thời đoạn hoặc trước và sau khi có hoạt động công nghiệp trên địa bàn.
Khuất Thị Hồng, Ngô Trà Mai
Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
(Nguồn: Bài đăng trên Tạp chí Môi trường, số 5/2021)
Tài liệu tham khảo
[1] Bùi Tá Long (2008), Mô hình hóa môi trường, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh.
[2] Ngô Trà Mai (2015), Mô phỏng quá trình khuếch tán bùn cát thất thoát từ hoạt động của Nạo vét, khơi thông luồng hàng hải Khu kinh tế Vân Phong, kết hợp tận thu cát nhiễm mặn để xuất khẩu, Tạp chí Tài nguyên và Môi trường số 22.
[3] Phạm Thu Hương, Nguyễn Bá Quỳ, Ngô Lê Long (2011), Ứng dụng mô hình Mike 21 FM nghiên cứu ảnh hưởng của sóng và dòng chảy đến cửa sông Đà Rằng tỉnh Phú Yên, Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng Hải số 27.
[4] Nguyễn Đức Vượng, Lê Mạnh Hùng, Nguyễn Thị Phượng (2016), Nghiên cứu đề xuất giải pháp ổn định cửa La Gi, sông Sinh, tỉnh Bình Thuận,Tạp chí Khoa học và Công nghệ Thủy lợi số 31.
[5] Trần Hồng Thái (2017), Ứng dụng mô hình MIKE 21 FM mô phỏng chất lượng nước khu vực ven biển Đình Vũ” của Trần Hồng Thái. Tạp chí Phát triển KH&CN, số T4.
[6] Bùi Tá Long, Nguyễn Lan Anh, Cao Thị Bé Oanh, Nguyễn Đình Huy (2019), Mô phỏng lan truyền nhiệt bằng mô hình toán ba chiều – trường hợp nhà máy nhiệt điện tại vùng biển Đề - Gi, Bình Định. Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ - Kĩ thuật và Công nghệ, số 2.
[7] Hồ Việt Cường, Nguyễn Thị Ngọc Nhẫn, Nguyễn Hồng Quang (2015), Nghiên cứu và đề xuất giải pháp công trình nhằm giảm thiểu độ đục cho khu vực bãi tắm Đồ Sơn thành phố Hải Phòng, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Thủy lợi số 29.
