Phát triển mô hình Streeter - Phelps dự đoán chất lượng nước khu vực thượng nguồn sông nhuệ chịu tác động của một số nguồn thải

06/07/2022

    TÓM TẮT

    Sông Nhuệ, chảy trên địa bàn Hà Nội thuộc một trong những lưu vực sông ô nhiễm trọng điểm ở Việt Nam. Do ảnh hưởng của đô thị hóa và sự gia tăng hoạt động nông nghiệp khu vực ven đô, chất lượng nước sông ngày càng suy giảm nghiêm trọng. Nghiên cứu đã bước đầu phát triển mô hình đơn giản dự đoán chất lượng nước sông và xác định ảnh hưởng của các nguồn thải tới chất lượng thủy vực. Mô hình tính toán dựa vào phương trình cơ bản Streeter - Phelps. Kết quả nghiên cứu cho thấy, nước thải sinh hoạt và nước thải từ các trang trại chăn nuôi là những nguồn thải quan trọng nhất ảnh hưởng tới chất lượng nước sông Nhuệ và dòng sông hiện tại có khả năng tự làm sạch thấp. Đánh giá diễn biến DO cho giá trị kiểm định χ2 = 0,48 thể hiện mô hình có độ tin cậy cao. Vận tốc dòng chảy, độ sâu mực nước là những thông số nhạy với mô hình. Mô hình đã xây dựng thích hợp để xác định các nguồn thải chính và đánh giá khả năng tự làm sạch của dòng sông sau khi đã tiếp nhận nguồn thải. Việc ứng dụng mô hình cho phép đề xuất những giải pháp hiệu quả để bảo vệ và phục hồi chất lượng dòng sông.

    Từ khóa: Chất lượng nước sông, khả năng tự làm sạch, phương trình Streeter - Phelps.

    1. ĐẶT VẤN ĐỀ

    Hàm lượng ôxy hòa tan trong nước (DO) là một trong những thông số quan trọng nhất để biểu diễn chất lượng nước của dòng chảy. Các quá trình chính ảnh hưởng đến DO là sự tiêu thụ ôxy của các vi sinh vật sống trong nước và trầm tích, và quá trình phân hủy các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học (thể hiện qua giá trị nhu cầu ôxy sinh hóa BOD). Có nhiều phương pháp được sử dụng để đánh giá diễn biến chất lượng nước thủy vực như quan trắc hay mô hình hóa. Tuy nhiên, việc xác định chất lượng nước sông hồ vẫn gặp nhiều khó khăn trong đánh giá mức độ biến đổi theo không gian và thời gian.

    Để đánh giá những thay đổi về chất lượng nước, đặc biệt là diễn biến BOD, DO của sông theo không gian và thời gian, mô hình chất lượng nước sông Streeter và Phelps đã được bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 1925 và tiếp tục cho thấy hiệu quả đến ngày nay. Các tác giả đã xây dựng mối quan hệ giữa sự phân hủy chất thải hữu cơ và DO của sông, phát triển mô hình sụt giảm ôxy hòa tan cổ điển. Trong quá trình ứng dụng, các điều chỉnh và mở rộng của mô hình được thực hiện liên quan đến các thông số DO, BOD và động học BOD bậc nhất để dự đoán DO trong dòng sông cho phép mô hình hóa chất lượng nước và đánh giá tác động của các nguồn xả thải khác nhau [1]. Mặc dù phương trình Streeter - Phelps là phương trình cổ điển, nhưng rất nhiều nghiên cứu đã khai thác và sửa đổi phương trình để phát triển các mô hình tính toán chất lượng nước trên các dòng chảy khác nhau [2], [3].

    Lưu vực sông Nhuệ - Đáy có vị trí và vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội, tuy nhiên kết quả quan trắc cho thấy sông Nhuệ là một trong những lưu vực sông có chất lượng môi trường nước kém nhất khu vực phía Bắc [4]. Chất lượng nước nước sông đang bị ô nhiễm một cách nghiêm trọng do các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội từ các khu đô thị, dân cư, làng nghề, hoạt động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ hai bên bờ sông.

    Có nhiều nghiên cứu về chất lượng nước sông Nhuệ, sông Đáy được thực hiện. Nhóm tác giả thuộc Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường năm 2006 đã sử dụng mô hình MIKE 11 để mô phỏng và tính toán thủy lực, chất lượng nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy với BOD và DO. Kết quả có thấy chất lượng nước của cả sông nhánh và sông chính đều bị ô nhiễm ở các mức độ khác nhau tùy thuộc từng đoạn sông, thời điểm, lưu lượng dòng chảy và đặc biệt là lượng và thời điểm xả thải của các nguồn thải [5]. Năm 2004 - 2009, trong dự án về Nghiên cứu mạng lưới quan trắc chất lượng môi trường nước trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy, nghiên cứu đã sử dụng 3 mô hình QUAL2E, mô hình sinh thái AQUASIM, và phương pháp đánh giá nhanh của WHO để tính toán diễn biến chất lượng nước theo các kịch bản khác nhau. Kết quả nghiên cứu đã đưa ra là chất lượng nước sông Nhuệ vượt trên tiêu chuẩn cho phép hạng B1 từ 1,8 đến 3 lần và có sự biến đổi mạnh mẽ theo chiều dài sông [6].

    Mục tiêu chính của nghiên cứu này là xây dựng mô hình đơn giản, dựa vào phương trình Streeter - Phelps sử dụng các thông số đặc trưng là DO, BOD và đặc điểm hình thái và thủy văn của từng đoạn sông, nhiệt độ dòng thải chảy vào sông.  Mô hình cho phép đánh giá ảnh hưởng của các nguồn thải, và phát triển các tính toán để dự đoán chất lượng nước sông tại các vị trí khác nhau.

    2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

    2.1. Đối tượng nghiên cứu

    Nghiên cứu được thực hiện trên đoạn sông Nhuệ chảy qua Phú Diễn, Hà Nội dài 3.2 km, bắt nguồn từ cống Chèm, lấy nước từ sông Hồng chảy vào. Vị trí cụ thể và đặc điểm 10 điểm lấy mẫu được mô tả trên Bảng 1. Trong 10 điểm lấy mẫu có 8 nhánh thải đổ vào sông Nhuệ, vị trí các nhánh thải này được minh họa trên Hình 1 của mô hình chia đoạn theo phương trình Streeter - Phelps.

    Bảng 1. Vị trí lấy mẫu sông Nhuệ

Mã	Vị trí	Tọa độ	Đặc điểm	Nhánh thải vào	Khoảng cách tới thượng nguồn (m)
N1	Cống Chèm (sau cửa cống khoảng 30m)	105046’14.64”E 2105’19.46”N	Nước thải từ nhà máy cọc bê tông Chèm	(1)	324
N2	Cống thải gần nhà máy nước Thụy Phương	105046’15.77”E 2105’49.10”N	Nước thải sinh hoạt của người dân phường Thụy Phương	(2)	632
N3	Cổng thải sinh hoạt phường Thụy Phương (sau cửa cống khoảng 3m)	105046’16.21”E 2104’43.63”N	Nước thải sinh hoạt của người dân phường Thụy Phương	(3)	1.150
N4	Điểm lấy trên sộng cạnh cống Liên Mạc 2 (sau cửa cống khoảng 20m)	105046’16.82”E 2104’48.82”N	Nước thải sinh hoạt của người dân phường Thụy Phương	(4)	1.610
N5	Cống thải Cổ Nhuế 1 (sâu cửa cống khoảng 3m)	105046’17.35”E 2104’29.19”N	Nước thải sinh hoạt từ khu Cổ Nhuế	(5)	1.930
N6	Cống thải đường Tân Nhuệ 2 (sau cửa cống khoảng 3m), cách cầu Mới khoảng 200m	105046’18.82”E 2104’16.71”N	Nước thải từ trường Học viện Cảnh sát	(6)	2.420
N7	Điểm lấy trên sông cách cầu Mới khoảng 30 m	105046’19.06”E 2104’2.32”N	Không có cống thải nào tại điểm này
N8	Cống thải sau Cầu Mới (sau cửa cống khoảng 3m)	105046’19.85”E 2103’58.63”N	Nước thải từ nhà máy sơn	(7)	2.580
N9	Điểm lấy trên sông cách cầu Noi khoảng 30 m	105046’20.75”E 2103’46.62”N	Không có cống thải nào tại điểm này
N10	Cống thải gần Cầu Noi (sau cửa cống khoảng 3 m)	105046’20.17”E 2103’41”N	Nước thải từ Viện chăn nuôi Quốc gia	(8)	3.200

    2.2. Phương pháp nghiên cứu

    2.2.1. Mô tả số liệu được sử dụng

    Số liệu đầu vào cho mô hình chất lượng nước Streeter - Phelps bao gồm: (1) Các điều kiện thủy văn của sông: Nhiệt độ (^oC), lưu lượng dòng chảy (m³/s), vận tốc dòng chảy bề mặt (m/s), độ sâu (cm); (2) giá trị các thông số chất lượng nước tại các vị trí quan trắc (Bảng 2.2; 2.3); (3) Các nguồn ô nhiễm: Vị trí các nguồn gây ô nhiễm dổ xuống dòng sông; nồng độ các chất trong các nguồn gây ô nhiễm trên lưu vực sông; lưu lượng nước thải của các nguồn gây ô nhiễm.  Quan trắc được tiến hành trong 3 đợt là tháng 1, tháng 3 và tháng 5 năm 2021.

    Bảng 2. Các thông số đo tại hiện trường

STT	Thông số	Phương pháp
1	Nồng độ ôxy hòa tan (DO) (mg/L)	Thiết bị HACH HQ40d
2	pH	Thiết bị HACH HQ40d
3	Nhiệt độ nước (0C)	Thiết bị HACH HQ40d
4	Độ dẫn điện (EC) (µS/cm)	Thiết bị HACH HQ40d
5	Độ sâu (cm)	Thước dây có buộc vật nặng
6	Vận tốc chảy bề mặt (m/s)	Thả miếng xốp trôi theo dòng chảy, bấm thời gian

    Bảng 3. Các thông số và phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm

STT	Thông số	Phương pháp
1	BOD5 (mgO2/L)	TCVN 6001-2008
2	COD (mg O2/L)	TCVN 6491-1999
3	NH4+ - N (mg/L)	TCVN 6179-1996
4	NO2- - N (mg/L)	TCVN 6178-1996
5	NO3- - N (mg/L)	TCVN 61801-1996
6	TKN (mg/L)	TCVN 5987-1995

    2.2.2. Phương trình Streeter - Phelps

    Phương trình Streeter - Phels được áp dụng để đánh giá khả năng tự làm sạch của nguồn nước như sau [1]:

    Trong đó, D là độ thiếu hụt ôxy trong nước sông sau khi tiêu thụ do phân hủy chất hữu cơ theo thời gian, mg/l; D₀ là độ thiếu hụt ban đầu sau khi nước sông và nước thải được xáo trộn, mg/l; L₀ là BOD lúc đầu sau khi nước sông và nước thải được xáo trộn, mg/l; K_d là hằng số tốc độ khử ôxy, ngày ^-1; K_a là hằng số tốc độ nạp khí, ngày ^-1;

    Với giả thiết dòng chảy chính và nhánh đổ vào được xáo trộn đều trên mặt cắt ngang ngay tại điểm xả, nồng độ L₀ (mg/l) được xác định như sau:

W là tải lượng ô nhiễm với W= Q_w.L_w; L_s là giá trị BOD của dòng chảy sông (mg/l); Q là lưu lượng dòng chảy sông (m³/s); L_w là giá trị BOD của dòng chất thải hoặc dòng chảy nhánh đổ vào sông (mg/l); Q_w là lưu lượng dòng chất thải hoặc dòng chảy nhánh đổ vào sông (m³/s)

2.2.3. Xây dựng mô hình

Mô hình Streeter - Phelps dựa trên đánh giá cân bằng vật chất cho 1 điểm bất kỳ trên sông. Trong mô hình, sông được chia thành các đoạn nhỏ, với mỗi đoạn có các thông số xác định như chiều dài, độ sâu, vận tốc dòng chảy, nhiệt độ và hình dạng xác định. Phương trình Streeter - Phelps sẽ được áp dụng trong từng phân đoạn i =1÷ n để tìm ra lời giải cho bài toán (Hình 1) [7].

Hình 1. Sơ đồ cân bằng vật chất cho nhiều đoạn sông nhỏ (n=20)

    Giá trị DO và BOD của nguồn ô nhiễm hoặc dòng vào được khảo sát ở đầu mỗi đoạn sông. Trong mỗi đoạn này, dòng vào mỗi đoạn từ đầu của đoạn và thoát ra ở cuối mỗi đoạn. Trong thời gian này, chất ô nhiễm có thể được phân hủy hoặc bổ sung phụ thuộc vào điều kiện thực tế. Giá trị ban đầu của các thông số mỗi đoạn có thể thay đổi phụ thuộc vào phụ lưu hoặc nguồn thải vào hoặc dòng thải ra, và tải lượng ô nhiễm từ các hoạt động sinh hoạt, nông nghiệp, trang trại và công nghiệp. Ở cuối mỗi bước thời gian, khối lượng và thành phần các chất ô nhiễm được khuấy trộn hoàn toàn.

    2.2.4. Kiểm định mô hình

    Sử dụng phân phối Chi bình phương (χ2) để kiểm định sự phù hợp của mô hình và số liệu quan trắc được (goodness of fit). Tra bảng χ2 để xác định giá trị kiểm định, ta sẽ thấy với mức ý nghĩa alpha = 0,1 tại df=5 thì χ2 = 1,61. Như vậy với χ2<1,61 mô hình có độ tin cậy chấp nhận được.

    3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

    Thông qua tính toán chỉ số VN-WQI theo Hướng dẫn kỹ thuật tính toán và công bố chỉ số chất lượng nước Việt Nam (theo 1460/QĐ-TCMT ban hành ngày 12/11/2019) tại các điểm lấy mẫu của sông Nhuệ, có thể đánh giá tổng thể chất lượng nước và phân loại dòng sông. Đánh giá chung, nước sông Nhuệ có chất lượng nước trung bình và kém và cần các biện pháp cải tạo và phục hồi trong tương lai (Hình 2).

Hình 2. Diễn biến chỉ số WQI của sông Nhuệ theo các đợt

    Bên cạnh đó diễn biến chất lượng nước sông theo thời gian ở đợt quan trắc thứ 2 (đợt 2) còn được mô tả qua sự thay đổi của DO từ mô hình Streeter - Phelps trên đoạn sông nghiên cứu như Hình 3.

Hình 3. Diễn biến DO thượng nguồn sông Nhuệ sử dụng mô hình Streeter - Phelps

Bảng 4. So sánh giá trị DO tính toán theo mô hình và quan trắc thực tế Vị trí  (m) DO χ2 χ2 tb mô hình (mg/l) quan trắc (mg/l) 324 7,78 7,74 0,0002           0.48 632 7,73 7,31 0,023 1150 6,12 6,55 0,03 1610 5,76 6,55 0,11 1930 5,36 7,16 0,60 2420 4,06 6,87 1,94 2580 3,73 5,78 1,13 3200 5,39 5,35 0,0003

    Đường cong DO phụ thuộc vào số lượng nguồn thải và khoảng cách giữa các nguồn thải. Ở khu vực thượng nguồn (tại vị trí này coi đoạn sông i = 0 theo mô hình Streeter - Phelps), DO đạt giá trị bão hòa 9 mg/l do nguồn nước đầu là tiếp nhận nước sông Hồng có chất lượng nước tốt. Sau đó DO của sông có xu hướng giảm từ 9 tới 7 mg/l (tại vị trí đoạn sông i = 3 theo mô hình Streeter-Phelps). Tại vị trí này cũng có nguồn thải đổ vào, nhưng nguồn thải có hàm lượng BOD₅ = 10.19 mg/l và lưu lượng Q = 30 l/s rất nhỏ so với lưu lượng dòng chảy chính của sông, nên không ảnh hưởng nhiều tới chất lượng nước sông. Mặt khác, tại đây đang diễn ra quá trình tự làm sạch của nước sông, tốc độ tái tạo ôxy từ không khí lớn hơn tốc độ sử dụng ôxy cho phân hủy chất hữu cơ nên DO tăng lên từ 7 lên 8.5 mg/l (tại đoạn sông i =5). Kiểm định mô hình được xác định thông qua tính giá trị χ2 như Bảng 4 ở trên cho thấy với χ2 = 0.48 < 1.61 nên mô hình có độ tin cậy cao (mức độ phù hợp α = 0.1), kết quả quan trắc phù hợp với kết quả chạy từ mô hình

    Mô hình Streeter - Phelps còn được áp dụng để phân tích độ nhạy của các thông số như vận tốc dòng chảy, độ sâu dòng tới chất lượng nước sông. Vận tốc dòng chảy của sông là một thông số ảnh hưởng tới tốc độ trao đổi ôxy giữa nước và không khí. Khi tốc độ dòng chảy tăng thì thì thời gian di chuyển của dòng nước giảm, do đó, dựa vào mô hình Streeter - Phelps đánh giá được sự ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy tới sự thay đổi của DO. Hình 4 cho thấy mức độ giảm DO có xu hướng nhanh hơn khi vận tốc dòng chảy giảm, kết quả này phù hợp với lý thuyết là khi vận tốc giảm thì hệ số tốc độ nạp khí cũng giảm theo, do đó, tốc độ truyền khí giữa nước và không khí cũng giảm đáng kể.

  

    Hình 4. Ảnh hưởng của vận tốc                                 Hình 5. Ảnh hưởng của độ sâu

    Độ sâu của nước là một yếu tố có ảnh hưởng tới lượng ôxy hòa tan của nước, tuy nhiên mức độ tác động không lớn lắm. Kết quả Hình 5 cho thấy, khi độ sâu tăng 1,5 lần thì giá trị DO trong khoảng từ 3,7-8,7 mg/L và độ sâu tăng lên 2 lần thì giá trị DO trong khoảng 3,9-8,9 mg/L so với giá trị DO từ 3,7-8,5 mg/L ở độ sâu ban đầu. Ảnh hưởng của độ sâu không rõ rệt do toàn bộ quãng sông nghiên cứu thuộc sông Nhuệ đều có mực nước ở mức nông.

    4. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT

    Kết quả quan trắc cho thấy, sông Nhuệ đã và đang bị ô nhiễm chất hữu cơ và ô nhiễm amoni ở mức cao, suy giảm nồng độ ôxy hòa tan. Chất lượng nước chủ yếu ở mức kém và trung bình. Mô hình Streeter - Phelps là một công cụ đánh giá nhanh được diễn biễn chất lượng nước sông Nhuệ dựa vào sự biến đổi nồng độ ôxy hòa tan DO và cho phép đánh giá sự ảnh hưởng của nguồn thải tới chất lượng nước sông:

    - Chất lượng nước sông Nhuệ có xu hướng giảm dần theo chiều dòng chảy.

    - Vận tốc, độ sâu là những thông số nhạy với mô hình Streeter - Phelps.

    - Nguồn thải tại điểm N2, N5, N10 do nước sinh thải sinh hoạt, nước thải chăn nuôi là những nguồn thải quan trọng, ảnh hướng tới chất lượng nước sông Nhuệ.

    Việc phát triển mô hình kết hợp với kiểm chứng thông qua số liệu quan trắc để dự báo diễn biến chất lượng môi trường nước sông Nhuệ là công cụ hữu hiệu để đánh giá nguồn ô nhiễm nhằm đưa ra những giải pháp kiểm soát và phục hồi ô nhiễm kịp thời.

    Lời cảm ơn

    Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội theo đề tài mã số CN20.17

Nguyễn Thị Ngọc Ánh¹, Lê Huy Hàm^1,3, Nguyễn Thị Lan², Nguyễn Đình Quang², Hoàng Thị Thu Hương^2*

¹ Khoa Công nghệ Nông nghiệp, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội

² Viện Khoa học và Công nghệ môi trường, Đại học Bách Khoa Hà Nội

³ Viện Di truyền Nông nghiệp, Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam

(Nguồn: Bài đăng trên Tạp chí Môi trường, số Chuyên đề Tiếng Việt II/2022)

    TÀI LIỆU THAM KHẢO

    [1] Streeter, H.W., Phelps, E.B. (1925), “A Study of the Pollution and Natural Purification of the Ohio River”, Public Health Bulletin, No 146, Public Health Service, Washington DC.

    [2] Da Chuha, A.D.C., C.M.R. Coneglian and E.C.C. Poletti, (2017), “Sewage discharge and water shelf-decay: Streeter and Phelps model application”, Computational and Applied Mathematics, 37:3514-3524

    [3] Long, B.T. (2020), “Inverse algorithm for Streeter-Phelps equation in water pollution control problema, Math. Compt. Simul., 171:119-126

    [4] Trung tâm quan trắc môi trường miền Bắc (2019), Diễn biến chất lượng nước Lưu vực sông Nhuệ-Đáy. http://cem.gov.vn/tin-tuc-moi-truong/dien-bien-chat-luong-nuoc-luu-vuc-song-nhue-day Truy cập 12/5/2022

    [5] Trịnh Minh Ngọc, Nguyễn Thanh Sơn, Ngô Chí Tuấn, Nguyễn Ý Như (2013) Đánh giá tính dễ bị tổn thương tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy.Tạp chí khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội. Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Tập 29, số 1S   tr. 126-133

    [6] Nguyễn Văn Cư và ccs (2009) Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước “Cơ sở khoa học cho việc xây dựng đề án tổng thể BVMT sông Nhuệ, sông Đáy”, thuộc Chương trình nhiệm vụ quản lý nhà nước về BVMT, Bộ Khoa học và Công nghệ.

    [7] Nguyen Thi Ngoc Anh (2016), The estimation of water quality based on new scheme of Streeter-Phelps equation for upstreamsite of Citarum River, Master thesis in Environmental Engineering, Department of Environmental Engineering, Bandung Institute of Technology Bandung 40132, Indonesia.

THE DEVELOPMENT OF COMPUTATION MODEL TO ESTIMATE THE EFFECT OF POINT SOURCE DISCHARGE AND WASTE LOAD ON WATER QUALITY IN UPSTREAM SITE OFF NHUE RIVER Nguyen Thi Ngoc Anh1, Le Huy Ham1,3, Nguyen Thi Lan2, Hoang Thi Thu Huong2* 1 Faculty of Agricultural Technology, VNU University of Engineering and Technology 2 School of Environmental Science and Technology, Hanoi University of Science and Technology 3 Agricultural Genetics Institute, Vietnam Academy of Agricultural Sciences     ABSTRACT     The Nhue River, running in Hanoi, belongs to one of Vietnam's critical polluted river basins. Due to the influence of urbanization and the increase of agricultural activities in peri-urban areas, river water quality is increasingly seriously degraded. This study has initially developed a simple model to predict river water quality and determine the influence of waste sources on water quality. The computational model was based on the basic Streeter - Phelps equation. Research results show that domestic wastewater and livestock farms discharge are the most critical sources of wastewater affecting the water quality of the Nhue River and the current river has a low self-purification capacity. Evaluation of DO evolution gives the test value χ2 = 0.48, showing that the model has high reliability. Flow velocity and water depth were model-sensitive parameters. The built model is suitable for identifying the primary discharge sources and evaluating the river's self-purification capacity after receiving the waste source. The application of the model allows effective solutions for river protection and restoration.     Keywords: river water quality, self-purification capacity, Streeter - Phelps equation.