Ứng dụng mô hình Mike 11 đánh giá khả năng cải thiện chất lượng nước sông đồng nai của nhà máy nước thải Tân Uyên, tỉnh Bình Dương

18/10/2021

    Tóm tắt

    Bài báo mô phỏng chất lượng nước (CLN) mặt và đánh giá khả năng cải thiện CLN sông Đồng Nai sau khi Nhà máy nước thải Tân Uyên, công suất 15.000m³/ngày, đêm đi vào hoạt động, trên cơ sở sử dụng Mô hình Mike 11 của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI).

    Từ khóa: Mike 11, sông Đồng Nai, suối Cái, CLN.

    Nhận bài: 21/9/2021; Sửa chữa: 24/9/2021; Duyệt đăng:  27/9/2021

    1. Đặt vấn đề

    Sông Đồng Nai là nguồn tài nguyên nước rất quan trọng cho sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản của tỉnh Đồng Nai và các tỉnh Bình Dương, Bình Phước, TP. Hồ Chí Minh... Do vậy, vấn đề cải thiện CLN mặt sông Đồng Nai luôn được các cơ quan quản lý và các nhà khoa học quan tâm thực hiện.

    Nghiên cứu và cải thiện CLN mặt trong nhiều năm qua luôn là một trong những mối quan tâm hàng đầu của các nhà làm quy hoạch, khoa học và cộng đồng. Chính vì vậy, số lượng các đề tài nghiên cứu khoa học, hội thảo, tư liệu về vấn đề này khá nhiều và đã đạt được kết quả tích cực. Trong đó, việc ứng dụng mô hình hóa đã đem lại những bước tiến mới trong cách tiếp cận và giải quyết vấn đề khoa học hơn. Mô hình Mike 11, không bị hạn chế bởi sự phức tạp của lưu vực áp dụng, là mô hình phù hợp cho việc tính toán hiệu quả và toàn diện, áp dụng cho quy hoạch và quản lý chất lượng nguồn nước và các công trình thủy lợi, nên được lựa chọn để mô phỏng mạng lưới thủy văn, thủy lực và sự lan truyền chất ô nhiễm, qua đó đánh giá diễn biến CLN mặt và khả năng tiếp nhận nước thải của suối Cái và sông Đồng Nai theo kịch bản trước và sau khi Nhà máy nước thải Tân Uyên, công suất 15.000m³/ngày, đêm đi vào hoạt động.

2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

    Để đánh giá khả năng cải thiện CLN trên sông Đồng Nai, nghiên cứu đã ứng dụng Mô hình Mike 11 (Mô hình thủy động lực học CLN). Mô hình bao gồm các module thủy động lực học (HD); module tải - khuếch tán (AD); module sinh thái (Ecolab). Tiêu chuẩn đánh giá kết quả mô phỏng là hệ số tương quan Pearson (R²) và hệ số hiệu quả mô hình hay còn gọi là hệ số Nash-Sutcliffe (NSE).

    a. Sơ đồ thủy lực: Bao gồm 105 nhánh sông, trên các nhánh sông được gắn một số mặt cắt thực đo điển hình để có thể đại diện cho đoạn sông đó làm đường dẫn trong mô hình, sát với kích thước thực tế của sông trong vùng nghiên cứu. Tổng sơ đồ tính, bao gồm 1.289 h-points và 1.005 Q-points được sử dụng cho giải sơ đồ sai phân 6 điểm Abbott - Ionescu. Trong nghiên cứu này, hệ số nhám Manning n dao động trong khoảng 0,024÷ 0,036; hệ số khuếch tán của mô hình dao động từ 35 ÷ 50.

 

2. Điều kiện biên của Mô hình Mike 11

Biên lưu lượng và biên mực nước dựa trên dữ liệu từ Dự án “Đầu tư xây dựng trục tiêu thoát nước suối Bưng Cù” và số liệu thực đo vào ngày 18/2/2020 - 20/2/2020. Giá trị biên lưu lượng, biên mực nước tại suối Cái và suối Bưng Cù thể hiện trong Hình 2.

    Biên CLN dựa vào kết quả quan trắc CLN tại các vị trí trên suối Cái, suối Bưng Cù đo đạc vào tháng 2/2020.

3. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực

    Về lưu lượng: Kết quả thực đo từ ngày 18/2-20/02/2020 cho thấy, suối Bưng Cù có lưu lượng dao động vào khoảng 0,073 - 0,28m³/s (bình quân 0,18m³/s); suối Cái (bình quân 2,48m³/s) và sông Đồng Nai vào khoảng 363 - 475 m³/s (bình quân 419m³/s). Kết quả mô phỏng và kết quả thực đo lưu lượng tại Hình 3 và Hình 4.

    Mực nước: Kết quả thực đo mực nước vào ngày 18/2-20/2/2020 trên suối Bưng Cù dao động (từ 0,35m÷ 1,86m); sông Đồng Nai (từ -1,21 m÷ 1,75m); kết quả mô phỏng và kết quả thực đo mực nước tại Hình 5 và Hình 6.

    Kết quả tính toán cho thấy, sự phù hợp của đường quá trình mực nước, lưu lượng mô phỏng và thực đo tại suối Bưng Cù, sông Đồng Nai với các chỉ số đánh giá theo Bảng 1.

    Bảng 1. Kết quả đánh giá khả năng mô phỏng của mô hình

Giá trị	Trạm thủy văn	Nash-sutcliffe (NSE)	Pearson (R2)
Mực nước	Suối Bưng Cù	0,8	0,85
	Sông Đồng Nai	0,94	0,96
Lưu lượng	Suối Bưng Cù	0,85	0,86
	Sông Đồng Nai	0,88	0,88

4. Kết quả đánh giá và kiểm định Mô hình Ecolab

    Nghiên cứu sử dụng kết quả quan trắc CLN có nồng độ cao nhất tại 4 vị trí: NM1 (thượng lưu suối Bưng Cù cách điểm xả thải 280m), NM2 (suối Bưng Cù tại điểm xả thải ), NM4 (suối Cái cách điểm giao với suối Bưng Cù về thượng lưu 200m), NM7 (điểm giao giữa suối Cái và sông Đồng Nai) vào tháng 2/2020, để kiểm định thông số DO, BOD, NH₄⁺ và PO₄^3-, coliform. Kết quả cho thấy, module CLN Ecolab đã mô phỏng tốt cho các thông số này.

1.Các kịch bản tính toán của Mô hình    3. Kết quả và thảo luận

    Kịch bản (KB) khi chưa có hệ thống xử lý nước thải (XLNT) (KB 1): Lượng thải ra lưu vực suối Bưng Cù, suối Cái, sông Đồng Nai hiện nay chủ yếu là nước thải sinh hoạt của các hộ dân sinh sống ven các suối, sông này, cùng với lượng nước thải từ hoạt động sản xuất công nghiệp, kinh doanh, dịch vụ.... (thuộc khu vực phường Thái Hòa, phía nam phường Tân Phước Khánh và phường Bình Chuẩn). Tổng lưu lượng nước thải sinh hoạt và sản xuất thải ra các suối trong khu vực Dự án là 8.936,9 m³/ngày, đêm ( 0,1034 m³/s).

Hình 11. Lưu vực tiếp nhận nước thải từ suối Bưng Cù, suối Cái và sông Đồng Nai - KB1

    KB khi có hệ thống XLNT (KB 2): Lưu lượng nước thải do Nhà máy Tân Uyên thu gom, xử lý và xả thải vào suối Bưng Cù là 15.000 m³/ngày, đêm, với nồng độ nước thải đầu ra đạt QCVN 40:2011/BTNMT, cột A, k_f=0,9, k_q=0,9; cùng với nước thải từ các khu vực ngoài phạm vi dự án thu gom, bao gồm nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý (1.652 m³/ngày, đêm) và nước thải từ hoạt động kinh doanh sản xuất, dịch vụ (2.092 m³/ngày, đêm). Do vậy, tổng lượng nước thải vào suối Bưng Cù, suối Cái và sông Đồng Nai trong khu vực nghiên cứu khi đã có hệ thống XLNT: 18.752 m³/ngày, đêm (0,217 m³/s).

Hình 12. Lưu vực thu gom nước thải của Chi nhánh nước thải Tân Uyên và tiếp nhận nước thải từ suối Bưng Cù, suối Cái và sông Đồng Nai - KB2

    3.2.Kết quả tính toán mô phỏng

    KB1: Khả năng tiếp nhận nguồn thải của suối Bưng Cù, suối Cái và sông Đồng Nai khi chưa có hệ thống XLNT. Báo cáo sử dụng Mô hình MIKE 11 AD để mô phỏng hiện trạng CLN. Tại giao điểm giữa suối Cái và suối Bưng Cù chỉ tiêu NH₄⁺ là (1,4 mg/l), BOD₅ (12,37 mg/l), PO₄^3- (1,13 mg/l), tại vị trí giao gữa suối Cái và sông Đồng Nai các chỉ tiêu NH₄⁺, BOD₅, PO₄^3- lần lượt là 0,29 mg/l, 3,53 mg/l và 0,083 mg/l. Do đó, CLN của sông Đồng Nai chưa bị tác động ô nhiễm. Các chỉ tiêu NH₄⁺, BOD₅, PO₄^3- trên sông Đồng Nai đều đạt yêu cầu theo QCVN 08 – MT/2015: BTNMT, cột A2.

    Phạm vi lan truyền của các chỉ tiêu BOD₅, NH₄⁺, PO₄^3- tại khu vực nghiên cứu khi chưa có hệ thống xử lý nước thải của Chi nhánh nước thải Tân Uyên theo KB 1 từ Hình 13 - 15.

    Khả năng tiếp nhận nguồn thải của suối Cái và sông Đồng Nai tại khu vực nghiên cứu khi chưa có hệ thống XLNT được thể hiện trong Bảng 2. Trong đó, suối Cái chỉ có khả năng tiếp nhận BOD₅, sông Đồng Nai vẫn còn khả năng tiếp nhận BOD₅, NH₄⁺, PO₄^3-_.

    Bảng 2. Khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước (KB1)

Thông số	N-NH4+	BOD5	PO43-
Ltn (kg/ngày) – suối Cái	-265,81	1398,16	-441,2
Ltn (kg/ngày) – sông Đồng Nai	233,044	57.562	2.705

KB2: Khả năng tiếp nhận nguồn thải của suối Bưng Cù, suối Cái và sông Đồng Nai khi có hệ thống XLNT của Chi nhánh nước thải Tân Uyên. Kết quả mô phỏng CLN tại vị trí giao điểm giữa suối Cái và Bưng Cù, với NH₄⁺ (0,59 mg/l), BOD₅ (11,16 mg/l) trong giới hạn cho phép theo QCVN 08 - MT/2015:BTNMT, cột B1, riêng PO₄^3- (0,465 mg/l) vượt mức cho phép theo QCVN 08 - MT/2015:BTNMT, cột B1.

Kết quả mô phỏng CLN sông Đồng Nai theo KB này gần như không đổi, các chỉ tiêu NH₄⁺, BOD₅, PO₄^3- đều đạt yêu cầu theo QCVN 08–MT/2015: BTNMT, cột A2. Nguyên nhân do sông Đồng Nai là một con sông lớn cùng với lưu lượng nước mặt trên sông Đồng Nai lớn hơn rất nhiều lần so với lưu lượng xả thải từ hệ thống XLNT của Chi nhánh nước thải Tân Uyên.

    Phạm vi lan truyền của các chỉ tiêu BOD₅, NH₄⁺, PO₄^3- tại khu vực nghiên cứu khi có hệ thống XLNT của Chi nhánh nước thải Tân Uyên theo KB 2 từ Hình 16 -18. Khả năng tiếp nhận nguồn thải của suối Cái và sông Đồng Nai tại khu vực nghiên cứu khi có trạm XLNT được thể hiện trong Bảng 3, trong đó, suối Cái có khả năng tiếp nhận BOD, amoni; sông Đồng Nai vẫn còn khả năng tiếp nhận NH₄⁺, BOD, PO₄^3-_.

    Bảng 3. Khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước khi có hệ thống XLNT (KB 2)

Thông số	N-NH4+	BOD5	P-PO43-
Ltn (kg/ngày) – suối Cái	164,802	2041,4	-87,72
Ltn (kg/ngày) – sông Đồng Nai	466,09	57562	2726,62

    Như vậy, khi chưa xây dựng hệ thống XLNT, lưu lượng nước thải chưa được xử lý đưa vào suối Bưng Cù, suối Cái và Sông Đồng Nai trong lưu vực nghiên cứu khoảng 8.936,9 m³/ngày, đêm; suối Cái đã không còn khả năng tiếp nhận NH₄⁺ và PO₄^3-. Dự báo trong tương lai, với sự gia tăng dân số ở khu vực nghiên cứu, khả năng chịu tải của suối Cái sẽ giảm sút dẫn đến CLN sông Đồng Nai suy giảm.

    Việc xây dựng hệ thống thu gom và XLNT 15.000m³/ngày, đêm của Chi nhánh nước thải Tân Uyên đã giúp thu gom và xử lý 7.258 m³/ngày nước thải đang xả vào lưu vực và 7.715 m³/ngày từ các khu vực lân cận. Kết quả mô phỏng cho thấy, CLN thải của suối Cái tại khu vực nghiên cứu được cải thiện và gia tăng khả năng chịu tải (có thêm thông số amoni) so với hiện hữu. Từ đó, CLN sông Đồng Nai tốt hơn, với khả năng chịu tải BOD₅, NH₄⁺ và PO₄^3- gia tăng, trong đó, khả năng chịu tải của amoni tăng đáng kể (tăng 2,0 lần).

    4. Kết luận

    Thông qua việc sử dụng Mô  hình Mike 11 để mô phỏng CLN của lưu vực suối Bưng Cù, Suối Cái và Sông Đồng Nai, nghiên cứu đã dự báo khả năng chịu tải sông Đồng Nai về BOD₅, NH₄⁺ và PO₄^3- gia tăng, khi các vấn đề ô nhiễm từ sông suối dẫn ra sông Đồng Nai được giải quyết. Qua đó, CLN sông Đồng Nai được cải thiện với các thông số về CLN mặt vẫn đạt quy chuẩn môi trường nhưng có nồng độ thấp hơn, giúp gia tăng khả năng tự làm sạch của sông Đồng Nai, đáp ứng nhu cầu phục vụ sinh hoạt và sản xuất.

Nguyễn Thị Phương Hiếu, Nguyễn Văn Phước, Võ Chí Công, Vũ Văn Nghị¹

¹Hội Nước và Môi trường TP. Hồ Chí Minh

(Nguồn: Bài đăng trên Tạp chí Môi trường, số Chuyên đề Tiếng việt III/2021)

    Tài liệu tham khảo

1. DHI Water & Environment, MIKE Basin, Horsholm, Denmark, 2004;
2. Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam, Quy hoạch tài nguyên nước lưu vực sông Đồng Nai. Dự án cấp Bộ, 2007;
3. Nghi Vu Van, Comparison of Conceptual Hydrological Models and Improvement via GIS aided Approach, PhD Dissertation, Hohai University, Nanjing, P.R. China, 2008;
4. Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, Quản lý tổng hợp và sử dụng hợp lý tài nguyên nước hệ thống sông Đồng Nai. Đề tài cấp nhà nước KC.08.18/06-10, 2010;
5. Sở KH&CN TP. HCM, Đánh giá mức độ khan hiếm tài nguyên nước ngọt cho TP. HCM bằng chỉ số áp lực về nước WSI theo các kịch bản quy hoạch phát triển đến năm 2030 trong điều kiện biến đổi khí hậu khi nước biển dâng và đề xuất các giải pháp tổng thể giảm thiểu, 2015;
6. Công ty Cổ phần nước -Môi trường Bình Dương, Dự án “Thoát nước và xử lý nước thải khu vực Dĩ An, Thuận An, Tân Uyên tỉnh Bình Dương”, 2018.

 

Application of Mike 11 model to assess the possibility of improving water quality of dong nai river of wastewater plant Tan Uyen, Binh Duong province Nguyen Thi Phuong Hieu, Nguyen Van Phuoc, Vo Chi Cong, Vu Van Nghi Ho Chi Minh City Association for Water and Environment      Abstract     The paper simulates surface water quality and evaluates the ability to improve water quality of Dong Nai river after Tan Uyen wastewater plant with a capacity of 15,000m3/day on the basis of using Mike 11 model of the Danish Hydraulic Institute (DHI).     Keywords: Mike, Dong Nai river, Cai stream, water quality.